Биомаркеры костной регенерации в челюстно-лицевой хирургии: критический обзор литературы

Резюме

Актуальность. Известно, что при возникновении медикаментозно-ассоциированного остеонекроза возникает ряд патологических изменений. Таким изменениям подвергаются и титры биомаркеров, отвечающих за метаболизм костной ткани. Они важны в диагностике и планировании лечения пациентов, в особенности при оперативных вмешательствах, в виду риска возникновения остеонекроза. Цель – на основании данных современной научной литературы и статей выявить маркеры нарушения костного ремоделирования и эндотелия, имеющие наибольшие значения для оптимизации ранней диагностики нарушения микроциркуляции у пациентов с челюстно-лицевыми патологиями.

Материалы и методы. Обзор имеющихся данных в литературе по нормальной анатомии кости, биомаркерам костной ткани и регулирующих факторов. Изучение режимов диагностики и выявление наиболее ценных и быстрых в нарушении кости и эндотелия сосудов.

Результаты. По результатам исследований остеокальцин, С-концевой телопептид и тартрат-резистентная кислая фосфатаза, VEGF являются наиболее информативными в клинической практике при прогнозировании возникновения остеонекроза челюстных костей. При концентрации С-концевого телопептида в сыворотке меньше 100 pg/mL увеличивается риск появления остеонекроза. Сывороточный остеокальцин считается специфическим биомаркером функции остеобластов для оценки скорости образования костной ткани при остеопорозе. Средний уровень остеокальцина выявил значительную разницу между постменопаузальным остеопорозом (16,16 ± 4,5 нг/мл) и неостеопорозом (11,26 ± 3,07 нг/мл) у женщин. Тартрат-резистентная кислая фосфатаза (TRAP 5b) используется в качестве эталона активности и количества остеокластов. TRAP 5b может быть специфически обнаружен в сыворотке с помощью иммуноанализов.

Заключение. Исследование маркеров перерождения костной ткани и сосудистых маркеров позволяет более ясно понять принципы возникновения остеонекроза и, следовательно, более четко прогнозировать, диагностировать остеонекроз, а также грамотно подбирать тактику лечения данных пациентов, вид оперативного вмешательства: консервативное, оперативное (частичная резекция, полная резекция челюстей), паллиативное, пре- и постмедикаментозную подготовку организма к вмешательству.

Актуальность

В последние годы в стоматологии возросло количество случаев медикаментозно-ассоциированных остеонекрозов челюстей. Это связано с приемом антиостеокластических препаратов, таких как: группы бисфосфонатов, моноклональных антител (деносумаб), рекомбинантных гибридных белков (Афлиберцепт). Известно, что при возникновении медикаментозно-ассоциированного остеонекроза возникает ряд патологических изменений. Таким изменениям подвергаются и титры биомаркеров, отражающих характер метаболизма и регенерации костной ткани. Они важны в диагностике и планировании лечения пациентов, в особенности при оперативных вмешательствах, ввиду риска возникновения остеонекроза.

Цели и задачи

По данным доступной литературы выявить биомаркеры нарушения костной ремоделяции и эндотелия, имеющие наибольшие значения для оптимизации ранней диагностики нарушения микроциркуляции у пациентов с челюстно-лицевыми патологиями.

Материалы и методы

Обзор методов анализа нормальной регенерации кости с оценкой биомаркеров костной ткани и регулирующих факторов. Изучение режимов диагностики и выявление наиболее ценных и быстрых в нарушении кости и эндотелия сосудов.

Механизмы, регулирующие связь между остеокластами и остеобластами, имеют решающее значение для биологии костных клеток. Было показано, что остеобласты и остеокласты могут связываться друг с другом посредством прямого межклеточного контакта, цитокинов и взаимодействия внеклеточного матрикса. Остеобласты могут влиять на образование, дифференцировку или апоптоз остеокластов через несколько путей, таких как пути OPG / RANKL / RANK, RANKL / LGR4 / RANK, Ephrin2 / ephB4 и Fas / FasL. Кроме того, цитокины, высвобождаемые из резорбированного костного матрикса, такие как TGF-β и IGF-1, также влияют на активность остеобластов. Регулирование действия остеокластов происходит за счет следующих факторов: белок, родственный паратгормону PTHrP, 1,25-гидроксивитамин D3, тироксин, увеличивающие количество и активность остеокластов. Гормон кальцитонин и эстрогены угнетают активность остеокластов (ингибируют активность RANKL, усиливают продукцию OPG). Кальциотропные гормоны и цитокины (такие, как витамин D3, паратгормон, простагландин E2, IL-11) стимулируют остеокластогенез. Бактериальные ЛПС и некоторые противовоспалительные цитокины (ФНО-альфа, IL-1,3,6, простагландины макрофагов и остеобластов) усиливают остеокластогенез.

Остеоциты составляют 95% от общего числа типа клеток зрелой костной ткани. Образуется из остеобластов после того, как они оказываются со всех сторон окруженными обызвествленным костным маткриксом. Остеоциты определяют баланс Ca и P в организме, регулируют активность остеобластов и остеокластов, вырабатывают в небольшом количестве компоненты матрикса и сигнальных молекул (простагландин E2, остеопротегерин OPG, оксид азота NO, RANKL, склеростин и др.). Межклеточное вещество костной ткани (матрикс) состоит из минералов (гидроксиапатитов), белков (протеогликаны, гликопротеины, липиды, кислоты, коллаген I типа у зрелой и III, IV, V, XI, XIII в участках регенерации).

Результаты исследования и их обсуждение

Разрушение костной ткани складывается из двух механизмов: потери костной ткани и недостаточного восполнения. Разрушение костной ткани идет с образованием эрозионных (резорбционных) лакун Хаушипа. Резорбция кости включает: прикрепление к поверхности кости в участке резорбции; растворение минерального компонента костного матрикса вследствие закисления резорбционной лакуны до pH 4,5; разрушение органических компонентов лизосомальными ферментами; удаление продуктов разрушения из лакуны путем их утечки в светлые зоны («разгерметизация» зоны плотного прикрепления остеокласта к костному матриксу). В кости потеря белкового матрикса и увеличение резорбции кости приводят к остеопорозу и могут привести к патологическим переломам и снижению роста трабекул. Увеличение RANKL, вероятно, вызывает остеокласт-индуцированную резорбцию кости и разрушение кости и может помочь объяснить, почему у пациентов с остеомиелитом наблюдается значительная потеря костной массы. В 2003 году были опубликованы первые сообщения, описывающие остеонекроз челюсти у пациентов, получавших бисфосфонаты. В последнем протоколе за 2014 год AAOMS изменил термин на остеонекроз челюсти, связанный с приемом лекарств (MRONJ). В последнее время встречается достаточное количество исследований, в которых указываются наиболее значимые для клиницистов биомаркеры костной регенерации (табл. 1).

TRAP экспрессируется остеокластами во время резорбции кости, а активность TRAP в сыворотке коррелирует с резорбтивной активностью при нарушениях метаболизма кости. TRAP 5b используется в качестве эталона активности и количества остеокластов и может быть специфически обнаружена в сыворотке с помощью иммунологических анализов.

В исследовании при бисфосфонат-индуцированном остеонекрозе окрашивание TRAP показало, что количество TRAP-положительных (активированных) остеокластов уменьшалось при обработке ZOL (количество TRAP-положительных клеток: контрольная группа, 5,5 ± 1,4; группа ZOL, 3,0 ± 2,1). Существенных различий между группами не было. До иммуногистохимии эндогенная пероксидазная активность ингибировалась секциями, инкубированными в перекиси водорода. Срезы были подвергнуты поиску антигена с цитрат-фосфатным буфером (pH 6,0). Для оценки клеточного ответа во время ремоделирования кости использовали первичные антитела против OPG, RANKL и TRAP, поликлональных антител, продуцируемых у коз (Santa Cruz Biotechnology, Даллас, Техас, США). TRAP 5b может быть специфически обнаружен в сыворотке с помощью иммуногистохимического анализа (далее – ИГХ), уже на седьмые сутки после первого введения деносумаба крысам. Это указывает на то, что деносумаб подавляет образование зрелых остеокластов in vivo. В связи с тем что деносумаб вызывает остеонекроз без цитотоксического эффекта как такового, можно предположить, что некроз возникает вследствие структурных изменений, например нерезорбируемой поверхностью костей или отсутствию прорастанию сосудов. Методика гистохимической оценки описана в экспериментальной модели остеонекроза челюстей крыс на фоне приема деносумаба авторами Williams et al (2014) – верхняя челюсть и бедренная кость были выделены у крыс, фиксированы в 4% параформальдегиде, с буферным растворов pH 7.4, при 4 градусах в течение суток, зафиксированных в 70% этиловом спирте. Далее проводилось микрокомпьютерное томографическое сканирование, после чего полученные ткани декальцинировались в 5% ЭДТА и 4% сахарозы в буфере pH 7.4.

Костно-специфическая щелочная фосфатаза (BALP) при нормальной функции печени у взрослых вырабатывается из кости в сыворотке крови. Для иммуноферментного анализа BALP предел обнаружения составляет 0,7 ед/л, а средние значения – 24,9 ± 7,0 ед/л и 19,7 ± 5,6 ед/л для мужчин и женщин в пременопаузе, соответственно. Таким образом, BALP может являться маркером выбора при ранней диагностике нарушения метаболизма кости.

Сывороточный остеокальцин считается специфическим биомаркером функции остеобластов для оценки скорости образования костной ткани при остеопорозе. Повышение интактного остеокальцина в сыворотке крови отражает синтез новых остеобластов. После попадания в кровоток из внеклеточной жидкости остеокальцин подвергается быстрой протеолитической деградации на полипептидные фрагменты: аминокислоты 1–19 (N-концевой), 20–43 (MID), 1–43 (N-MID), 44–49 (С-концевой), 20–49 (MID-С).

Сшитый карбокси-конец телопептид коллагена типа 1 (CTX-1, С-концевой телопептид, CrossLaps) является продуктом распада коллагена 1 типа. Различают α- (молодой возраст) и β-изомеры (взрослые) CrossLaps. При костном метастазировании наблюдается более чем 20-кратное увеличение концентрации CrossLaps в сыворотке крови, его уровень увеличивается после менопаузы и приходит к норме через год после лекарственной терапии бифосфонатами. В ситуациях с повышенным ремоделированием кости коллаген I типа разрушается остеокластами, которые выделяют молекулы CrossLaps. В исследовании Marx RE et al было выявлено, что риск развития осложнений после хирургических вмешательств в полости рта, в том числе и развития остеонекроза, коррелирует с количеством CrossLaps в сыворотке крови.

Рецепторный активатор лиганда NF-κB (RANKL) в сыворотке крови у человека по исследованиям показывает наличие метаболических заболеваниях костей. Существует ряд исследований, в которых указываются биохимические маркеры при диагностике тромбоза и эндотелиальной дисфункции. vWF играет центральную роль в первичном гемостазе, где он опосредует адгезию тромбоцитов к поврежденному сосудистому субэндотелию и затем агрегацию тромбоцитов. Экспериментальные данные указывают на фактор Виллебранда, как на ингибитор ангиогенеза, зависимого от сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF), реализующего свое действие через внутриклеточные и внеклеточные механизмы с участием avb3 и ангиопоэтина-2, которые служат лигандами для фактора Виллебранда. Ингибитор пути тканевого фактора (TFPI) может влиять на ангиогенез независимо от TF через последовательности в его карбоксильном конце (C-TFPI), блокируя активацию рецептора 2 VEGF и ослабляя миграционную способность эндотелиальных клеток. Повышенные уровня TFPI в плазме при воспалительных состояниях могут привести к эндотелиальной дисфункции. Синдекан-1 является протеогликаном гепарансульфата клеточной поверхности, который регулируют воспалительный ответ, пролиферацию гладкомышечных клеток (SMC) при повреждении сосудов и прогностически необходим при определении динамики воспалительной реакции в организме.

Заключение

Исходный уровень этих маркеров позволяет оценить общее состояние обменных процессов в костной ткани, а также обосновать возможность отмены препаратов, вызвавших некротические изменения в челюстях. Известно, что медикаментозно-ассоциированные некрозы челюстей возникают на фоне приема препаратов (аминобисфосфонаты, моноклональные антитела, наркотические фосфат-содержащие вещества) после нанесения травмы, такой как операция удаления зуба. Так, например, выполнение вышеперечисленных маркеров у больных с лекарственными остеонекрозами нижней челюсти в отдаленные сроки наблюдения (шесть месяцев и более) необходимо для контроля резорбции. При остеопорозе активность костно-специфической щелочной фосфатазы 66,4 ± 8,7 Ед/л были обнаружены у женщин старше 59 лет. Средний уровень остеокальцина выявил значительную разницу между постменопаузальным остеопорозом (16,16 ± 4,50 нг/мл) и неостеопорозом (11,26 ± 3,07 нг/мл) у женщин. Отсутствие в сыворотке крови фактора Вилле-бранда показывает выраженные ангиогенные процессы: в моделях in vitro было продемонстрировано значимое повышение пролиферации эндотелиальных клеток при отсутствии фактора Виллебранда. У больных с остеонекрозом наблюдается снижение VEGF. Исследование маркеров перерождения костной ткани и сосудистых маркеров позволяет более ясно понять принципы возникновения остеонекроза и, следовательно, более четко прогнозировать, выделить потенциальные маркеры воспалительной реакции и дегенерации кости, а также грамотно подбирать тактику лечения данных пациентов, вид оперативного вмешательства: консервативное, оперативное (частичная резекция, полная резекция челюстей), паллиативное, пре- и постмедикаментозную подготовку организма к вмешательству.

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

Список литературы

1. Marx RE, et al. Oral bisphosphonate-induced osteonecrosis: risk factors, prediction of risk using serum CTX testing, prevention, and treatment. Journal of oral and maxillofacial surgery: official journal of the American Association of Oral and Maxillofacial Surgeons. 2007. 65(12):2397-410 doi: 10.1016/j.joms.2007.08.003

2. Sales Lima MV1 de, et al. Denosumab Related Osteonecrosis of Jaw: a Case Report. Journal of Oral and Maxillofacial Research. 2018;Dec;30;9(4):e5. doi: 10.5037/jomr.2018.9405

3. Mawardi H, et al. Osteonecrosis of the jaw associated with ziv-aflibercept. Journal of Gastrointestinal Oncology. 2016 Dec;7(6):E81-E87. doi: 10.21037/jgo.2016.05.07

4. Harold N Rosen. Use of biochemical markers of bone turnover in osteoporosis. Clinical Chemistry and Laboratory Medicine. 2008;46(10):1345-57. doi: 10.1515/CCLM.2008.310

5. Del Fattore, Andrea, Anna Teti, and Nadia Rucci. Osteoclast receptors and signaling. Archives of biochemistry and biophysics. 2008;473(2):147-60. doi: 10.1016/j.abb.2008.01.011

6. Chen X, et al. Osteoblast–osteoclast interactions. Connective tissue research. 2018;59(2):99-107. doi: 10.1080/03008207.2017.1290085

7. Kathryn L, ed. Pathophysiology: The Biologic Basis for Disease in Adults and Children. 8 edition. 2019. Available from: https://vk.com/doc313186384_520259268?hash=08f64 af1b82bfc6a95&dl=c27e5d0e4f93077aa1

8. Brad W.Neville, et al. Periodontal Pathology, in Color Atlas of Oral and Maxillofacial Diseases. 2019;93-107. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-55225-7.00004-X

9. Marx RE. Pamidronate (Aredia) and zoledronate (Zometa) induced avascular necrosis of the jaws: a growing epidemic. Journal of oral and maxillofacial surgery: official journal of the American Association of Oral and Maxillofacial Surgeons. 2003;61(9):1115-7. doi: 10.1016/S0278-2391(03)00720-1

10. Ruggiero SL et al. American Association of Oral and Maxillofacial Surgeons position paper on medication-related osteonecrosis of the jaw-2014 update. Journal of oral and maxillofacial surgery: official journal of the American Association of Oral and Maxillofacial Surgeons. 2014;Oct;72(10):1938-56. doi: 10.1016/j.joms.2014.08.017