Біомаркери кісткової регенерації в щелепно-лицевій хірургії: критичний огляд літератури

Резюме

Актуальність. Відомо, що при виникненні медикаментозно-асоційованого остеонекрозу виникає ряд патологічних змін. Таким змінам підлягають і титри біомаркерів, що відповідають за метаболізм кісткової тканини. Вони важливі в діагностиці та плануванні лікування пацієнтів, особливо при оперативних втручаннях, у зв'язку з ризиком виникнення остеонекрозу. Мета – на основі даних сучасної наукової літератури та статей виявити маркери порушення кісткового ремоделювання та ендотелію, які мають найбільше значення для оптимізації ранньої діагностики порушення мікроциркуляції у пацієнтів з щелепно-лицевими патологіями.

Матеріали та методи. Огляд наявних даних у літературі з нормальної анатомії кістки, біомаркерів кісткової тканини та регулюючих факторів. Вивчення режимів діагностики та виявлення найбільш цінних і швидких у порушенні кістки та ендотелію судин.

Результати. За результатами досліджень остеокальцин, С-кінцевий телопептид та тартрат-резистентна кисла фосфатаза, VEGF є найбільш інформативними в клінічній практиці при прогнозуванні виникнення остеонекрозу щелепних кісток. При концентрації С-кінцевого телопептиду в сироватці менше 100 pg/mL збільшується ризик появи остеонекрозу. Сироватковий остеокальцин вважається специфічним біомаркером функції остеобластів для оцінки швидкості утворення кісткової тканини при остеопорозі. Середній рівень остеокальцину виявив значну різницю між постменопаузальним остеопорозом (16,16 ± 4,5 нг/мл) та неостеопорозом (11,26 ± 3,07 нг/мл) у жінок. Тартрат-резистентна кисла фосфатаза (TRAP 5b) використовується як еталон активності та кількості остеокластів. TRAP 5b може бути специфічно виявлений у сироватці за допомогою імуноаналізів.

Висновок. Дослідження маркерів переродження кісткової тканини та судинних маркерів дозволяє більш чітко зрозуміти принципи виникнення остеонекрозу і, отже, більш точно прогнозувати, діагностувати остеонекроз, а також грамотно підбирати тактику лікування цих пацієнтів, вид оперативного втручання: консервативне, оперативне (часткова резекція, повна резекція щелеп), паліативне, пре- та постмедикаментозну підготовку організму до втручання.

Актуальність

В останні роки в стоматології зросла кількість випадків медикаментозно-асоційованих остеонекрозів щелеп. Це пов'язано з прийомом антиостеокластичних препаратів, таких як: групи біфосфонатів, моноклональних антитіл (деносумаб), рекомбінантних гібридних білків (Афліберцепт). Відомо, що при виникненні медикаментозно-асоційованого остеонекрозу виникає ряд патологічних змін. Таким змінам піддаються і титри біомаркерів, що відображають характер метаболізму та регенерації кісткової тканини. Вони важливі в діагностиці та плануванні лікування пацієнтів, особливо при оперативних втручаннях, у зв'язку з ризиком виникнення остеонекрозу.

Цілі та завдання

За даними доступної літератури виявити біомаркери порушення кісткової ремоделяції та ендотелію, які мають найбільше значення для оптимізації ранньої діагностики порушення мікроциркуляції у пацієнтів з щелепно-лицевими патологіями.

Матеріали та методи

Огляд методів аналізу нормальної регенерації кістки з оцінкою біомаркерів кісткової тканини та регулюючих факторів. Вивчення режимів діагностики та виявлення найбільш цінних і швидких у порушенні кістки та ендотелію судин.

Механізми, що регулюють зв'язок між остеокластами та остеобластами, мають вирішальне значення для біології кісткових клітин. Було показано, що остеобласти та остеокласти можуть зв'язуватися один з одним шляхом прямого міжклітинного контакту, цитокінів та взаємодії позаклітинного матриксу. Остеобласти можуть впливати на утворення, диференціацію або апоптоз остеокластів через кілька шляхів, таких як шляхи OPG / RANKL / RANK, RANKL / LGR4 / RANK, Ephrin2 / ephB4 та Fas / FasL. Крім того, цитокіни, що вивільняються з резорбованого кісткового матриксу, такі як TGF-β та IGF-1, також впливають на активність остеобластів. Регулювання дії остеокластів відбувається за рахунок наступних факторів: білок, родинний паратгормону PTHrP, 1,25-гідроксивітамін D3, тироксин, що збільшують кількість та активність остеокластів. Гормон кальцитонін та естрогени пригнічують активність остеокластів (інгібують активність RANKL, посилюють продукцію OPG). Кальціотропні гормони та цитокіни (такі, як вітамін D3, паратгормон, простагландин E2, IL-11) стимулюють остеокластогенез. Бактеріальні ЛПС та деякі протизапальні цитокіни (ФНО-альфа, IL-1,3,6, простагландини макрофагів та остеобластів) посилюють остеокластогенез.

Остеоцити складають 95% від загальної кількості типу клітин зрілої кісткової тканини. Формуються з остеобластів після того, як вони виявляються з усіх боків оточеними обізвествленим кістковим матриксом. Остеоцити визначають баланс Ca і P в організмі, регулюють активність остеобластів і остеокластів, виробляють у невеликій кількості компоненти матриксу і сигнальні молекули (простагландин E2, остеопротегерин OPG, оксид азоту NO, RANKL, склеростин та ін.). Міжклітинна речовина кісткової тканини (матрикс) складається з мінералів (гідроксиапатитів), білків (протеоглікани, глікопротеїни, ліпіди, кислоти, коллаген I типу у зрілій і III, IV, V, XI, XIII в ділянках регенерації).

Результати дослідження та їх обговорення

Руйнування кісткової тканини складається з двох механізмів: втрати кісткової тканини та недостатнього поповнення. Руйнування кісткової тканини відбувається з утворенням ерозійних (резорбційних) лакун Хаушипа. Резорбція кістки включає: прикріплення до поверхні кістки в ділянці резорбції; розчинення мінерального компонента кісткового матриксу внаслідок закислення резорбційної лакуни до pH 4,5; руйнування органічних компонентів лізосомальними ферментами; видалення продуктів руйнування з лакуни шляхом їх витоку в світлі зони («розгерметизація» зони щільного прикріплення остеокласта до кісткового матриксу). У кістці втрата білкового матриксу та збільшення резорбції кістки призводять до остеопорозу і можуть призвести до патологічних переломів і зниження росту трабекул. Збільшення RANKL, ймовірно, викликає остеокласт-індуковану резорбцію кістки та руйнування кістки і може допомогти пояснити, чому у пацієнтів з остеомієлітом спостерігається значна втрата кісткової маси. У 2003 році були опубліковані перші повідомлення, що описують остеонекроз щелепи у пацієнтів, які отримували біфосфонати. У останньому протоколі за 2014 рік AAOMS змінив термін на остеонекроз щелепи, пов'язаний з прийомом лікарських засобів (MRONJ). В останній час зустрічається достатня кількість досліджень, в яких вказуються найбільш значущі для клініцистів біомаркери кісткової регенерації (табл. 1).

TRAP експресується остеокластами під час резорбції кістки, а активність TRAP у сироватці корелює з резорбтивною активністю при порушеннях метаболізму кістки. TRAP 5b використовується як еталон активності та кількості остеокластів і може бути специфічно виявлена у сироватці за допомогою імунологічних аналізів.

В дослідженні при бисфосфонат-індукованому остеонекрозі фарбування TRAP показало, що кількість TRAP-позитивних (активованих) остеокластів зменшувалася при обробці ZOL (кількість TRAP-позитивних клітин: контрольна група, 5,5 ± 1,4; група ZOL, 3,0 ± 2,1). Суттєвих відмінностей між групами не було. До імуногістохімії ендогенна пероксидазна активність інгібувалася секціями, інкубованими в перекисі водню. Зрізи були піддані пошуку антигена з цитратно-фосфатним буфером (pH 6,0). Для оцінки клітинної відповіді під час ремоделювання кістки використовували первинні антитіла проти OPG, RANKL і TRAP, поліклональних антитіл, що продукуються у кіз (Santa Cruz Biotechnology, Даллас, Техас, США). TRAP 5b може бути специфічно виявлений у сироватці за допомогою імуногістохімічного аналізу (далі – ІГХ), вже на сьомі доби після першого введення деносумабу щурам. Це вказує на те, що деносумаб пригнічує утворення зрілих остеокластів in vivo. У зв'язку з тим, що деносумаб викликає остеонекроз без цитотоксичного ефекту як такого, можна припустити, що некроз виникає внаслідок структурних змін, наприклад нерезорбованою поверхнею кісток або відсутністю проростання судин. Методика гістохімічної оцінки описана в експериментальній моделі остеонекрозу щелеп щурів на фоні прийому деносумабу авторами Williams et al (2014) – верхня щелепа і стегнова кістка були виділені у щурів, зафіксовані в 4% параформальдегід, з буферним розчином pH 7.4, при 4 градусах протягом доби, зафіксовані в 70% етиловому спирті. Далі проводилося мікрокомп'ютерне томографічне сканування, після чого отримані тканини декальцифікувалися в 5% ЕДТА і 4% сахарози в буфері pH 7.4.

Кістково-специфічна лужна фосфатаза (BALP) при нормальній функції печінки у дорослих виробляється з кістки в сироватці крові. Для імуноферментного аналізу BALP межа виявлення становить 0,7 од/л, а середні значення – 24,9 ± 7,0 од/л і 19,7 ± 5,6 од/л для чоловіків і жінок у пременопаузі, відповідно. Таким чином, BALP може бути маркером вибору при ранній діагностиці порушення метаболізму кістки.

Сироватковий остеокальцин вважається специфічним біомаркером функції остеобластів для оцінки швидкості утворення кісткової тканини при остеопорозі. Підвищення інтактного остеокальцину в сироватці крові відображає синтез нових остеобластів. Після потрапляння в кровотік з позаклітинної рідини остеокальцин підлягає швидкій протеолітичній деградації на поліпептидні фрагменти: амінокислоти 1–19 (N-кінцевий), 20–43 (MID), 1–43 (N-MID), 44–49 (C-кінцевий), 20–49 (MID-C).

Зшитий карбокси-кінцевий телопептид коллагену типу 1 (CTX-1, C-кінцевий телопептид, CrossLaps) є продуктом розпаду коллагену 1 типу. Розрізняють α- (молодий вік) та β-ізомери (дорослі) CrossLaps. При кістковому метастазуванні спостерігається більш ніж 20-кратне збільшення концентрації CrossLaps у сироватці крові, його рівень підвищується після менопаузи і приходить до норми через рік після лікарської терапії біфосфонатами. У ситуаціях з підвищеним ремоделюванням кістки коллаген I типу руйнується остеокластами, які виділяють молекули CrossLaps. У дослідженні Marx RE et al було виявлено, що ризик розвитку ускладнень після хірургічних втручань у порожнині рота, в тому числі і розвитку остеонекрозу, корелює з кількістю CrossLaps у сироватці крові.

Рецепторний активатор ліганда NF-κB (RANKL) в сироватці крові у людини за дослідженнями показує наявність метаболічних захворювань кісток. Існує ряд досліджень, в яких вказуються біохімічні маркери при діагностиці тромбозу та ендотеліальної дисфункції. vWF відіграє центральну роль у первинному гемостазі, де він опосередковує адгезію тромбоцитів до пошкодженого судинного субендотелію, а потім агрегацію тромбоцитів. Експериментальні дані вказують на фактор Віллебранда, як на інгібітор ангіогенезу, залежного від судинного ендотеліального фактора росту (VEGF), реалізуючи свою дію через внутрішньоклітинні та позаклітинні механізми за участю avb3 та ангіопоетину-2, які слугують лігандами для фактора Віллебранда. Інгібітор шляху тканинного фактора (TFPI) може впливати на ангіогенез незалежно від TF через послідовності в його карбоксильному кінці (C-TFPI), блокуючи активацію рецептора 2 VEGF та послаблюючи міграційну здатність ендотеліальних клітин. Підвищені рівні TFPI в плазмі при запальних станах можуть призвести до ендотеліальної дисфункції. Синдекан-1 є протеогліканом гепарансульфату клітинної поверхні, який регулює запальну відповідь, проліферацію гладком'язових клітин (SMC) при пошкодженні судин та прогностично необхідний при визначенні динаміки запальної реакції в організмі.

Висновок

Початковий рівень цих маркерів дозволяє оцінити загальний стан обмінних процесів у кістковій тканині, а також обґрунтувати можливість скасування препаратів, що викликали некротичні зміни в щелепах. Відомо, що медикаментозно-асоційовані некрози щелеп виникають на фоні прийому препаратів (амінобісфосфонати, моноклональні антитіла, наркотичні фосфат-содержащі речовини) після нанесення травми, такої як операція видалення зуба. Так, наприклад, виконання вищезазначених маркерів у хворих з лікарськими остеонекрозами нижньої щелепи в віддалені терміни спостереження (шість місяців і більше) необхідне для контролю резорбції. При остеопорозі активність кістково-специфічної лужної фосфатази 66,4 ± 8,7 Од/л була виявлена у жінок старше 59 років. Середній рівень остеокальцину виявив значну різницю між постменопаузальним остеопорозом (16,16 ± 4,50 нг/мл) і неостеопорозом (11,26 ± 3,07 нг/мл) у жінок. Відсутність у сироватці крові фактора Вілле-Бранда показує виражені ангіогенні процеси: в моделях in vitro було продемонстровано значне підвищення проліферації ендотеліальних клітин при відсутності фактора Віллебранда. У хворих з остеонекрозом спостерігається зниження VEGF. Дослідження маркерів переродження кісткової тканини та судинних маркерів дозволяє більш чітко зрозуміти принципи виникнення остеонекрозу і, отже, більш чітко прогнозувати, виділити потенційні маркери запальної реакції та дегенерації кістки, а також грамотно підбирати тактику лікування цих пацієнтів, вид оперативного втручання: консервативне, оперативне (часткова резекція, повна резекція щелеп), паліативне, пре- та постмедикаментозну підготовку організму до втручання.

Г.А. Косач, С.И. Кутукова, Т.Д. Власов, А.И. Яременко

Список літератури

1. Marx RE, et al. Оральна остеонекроз, викликаний біфосфонатами: фактори ризику, прогнозування ризику за допомогою тестування сироваткового CTX, профілактика та лікування. Журнал хірургії рота та щелепно-лицевої хірургії: офіційний журнал Американської асоціації щелепно-лицевих хірургів. 2007. 65(12):2397-410 doi: 10.1016/j.joms.2007.08.003

2. Sales Lima MV1 de, et al. Остеонекроз щелепи, пов'язаний з деносумабом: клінічний випадок. Журнал досліджень рота та щелепно-лицевої хірургії. 2018;Груд;30;9(4):e5. doi: 10.5037/jomr.2018.9405

3. Mawardi H, et al. Остеонекроз щелепи, асоційований із зів-афліберцептом. Журнал онкології шлунково-кишкового тракту. 2016 Груд;7(6):E81-E87. doi: 10.21037/jgo.2016.05.07

4. Harold N Rosen. Використання біохімічних маркерів обміну кістки при остеопорозі. Клінічна хімія та лабораторна медицина. 2008;46(10):1345-57. doi: 10.1515/CCLM.2008.310

5. Del Fattore, Andrea, Anna Teti, і Nadia Rucci. Рецептори остеокластів і сигнальні шляхи. Архіви біохімії та біофізики. 2008;473(2):147-60. doi: 10.1016/j.abb.2008.01.011

6. Chen X, et al. Взаємодії остеобластів і остеокластів. Дослідження сполучної тканини. 2018;59(2):99-107. doi: 10.1080/03008207.2017.1290085

7. Kathryn L, ed. Патофізіологія: біологічна основа захворювань у дорослих і дітей. 8 видання. 2019. Доступно за адресою: https://vk.com/doc313186384_520259268?hash=08f64 af1b82bfc6a95&dl=c27e5d0e4f93077aa1

8. Brad W.Neville, et al. Пародонтальна патологія, у кольоровому атласі оральних і щелепно-лицевих захворювань. 2019;93-107. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-55225-7.00004-X

9. Marx RE. Памідронат (Аредія) і золедронат (Зомета), що викликають аваскулярний некроз щелеп: зростаюча епідемія. Журнал хірургії рота та щелепно-лицевої хірургії: офіційний журнал Американської асоціації щелепно-лицевих хірургів. 2003;61(9):1115-7. doi: 10.1016/S0278-2391(03)00720-1

10. Ruggiero SL et al. Позиційний документ Американської асоціації щелепно-лицевих хірургів щодо остеонекрозу щелепи, пов'язаного з медикаментами - оновлення 2014 року. Журнал хірургії рота та щелепно-лицевої хірургії: офіційний журнал Американської асоціації щелепно-лицевих хірургів. 2014;Жовт;72(10):1938-56. doi: 10.1016/j.joms.2014.08.017