Annals of the Russian academy of medical sciencesAnnals of the Russian academy of medical sciencesВестник Российской академии медицинских наук0869-60472414-3545"Paediatrician" Publishers LLC172210.15690/vramn1722CELL TRANSPLANTOLOGY AND TISSUE ENGINEERING: CURRENT ISSUESАКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ КЛЕТОЧНОЙ ТРАНСПЛАНТОЛОГИИ И ТКАНЕВОЙ ИНЖЕНЕРИИReview ArticleThe Osteoinductive Potential of Partially Demineralized Bone Matrix and the Possibility of Its Use in Clinical PracticeОстеоиндуктивный потенциал частично деминерализованного костного матрикса и возможности его использования в клинической практикеhttps://orcid.org/0000-0001-9620-35479785-2632PankratovAlexander S.ПанкратовАлександр Сергеевич
Russian Federation

MD, PhD, Assistant Professor

д.м.н. доцент

stomat-2008@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1709-99706475-1023FadeevaIrina S.ФадееваИрина Сергеевна
Russian Federation

PhD in Biology

к.б.н.

fadeeva.iteb@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8398-6829YurasovaYulia B.ЮрасоваЮлия Борисовна
Russian Federation

MD, PhD, Assistant Professor

д.м.н., доцент

yyrasova@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2280-85597005966400U-7910-20199663-2378GrininVasily M.ГрининВасилий Михайлович
Russian Federation

MD, PhD, Professor

д.м.н., профессор

grynin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4336-4459CherkesovIgor V.ЧеркесовИгорь Владимирович
Russian Federation

MD, PhD

к.м.н.

cherkesovi@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6497-0637KorshunovVasily V.КоршуновВасилий Вадимович
Russian Federation

MD

врач

korshunov140395@mail.ruI.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Sechenov University)Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова (Сеченовский Университет)Russian Medical Academy of Continuing Professional EducationРоссийская медицинская академия непрерывного профессионального образованияInstitute of Theoretical and Experimental Biophysics RASИнститут теоретической и экспериментальной биофизики РАНNational Medical Research Center for Traumatology and Orthopedics Named after N.N. PriorovНациональный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова260520227721431510810202113042022Copyright ©; 2022, "Paediatrician" Publishers LLCCopyright ©; 2022, Издательство "Педиатръ"2022"Paediatrician" Publishers LLCИздательство "Педиатръ"https://vestnikramn.spr-journal.ru/jour/about/submissionshttps://vestnikramn.spr-journal.ru/jour/article/view/1722

Today autografts are considered to be an optimal material for bone grafting. However, the collection of material and it’s clinical use is associated with several serious drawbacks, and therefore, in reconstructive surgery, a search for alternative treatment approaches is being conducted. A bone transplant from another person (allo-osteoplasty) is the most natural and logical option for replacing an autobone. Since 1965, allogeneic implants of a partially demineralized bone matrix combining osteoinductive and osteoconductive action have been used in clinical practice. However, the clinical results of the use of this material turned out to be ambiguous, which is due, first of all, to the significant variability of the osteoplastic potential of its various samples. For this reason, in clinical practice, sometimes preference is given to samples of non-demineralized allobone, which retain it’s structure longer. In this paper, we consider factors affecting the osteoinductive activity of a partially demineralized bone matrix, related both to the technological issues of its preparation and to the clinical conditions of use. Issues of the possible improvement of this material were discussed with a view to its further use in medical practice.

На сегодняшний день аутотрансплантаты считаются оптимальным материалом для костной пластики. Однако их забор и клиническое использование связаны с целым рядом серьезных недостатков, в связи с чем в реконструктивной хирургии ведется поиск альтернативных подходов к получению материалов. Пересадка кости от другого человека (аллоостеопластика) представляется самым естественным и логичным вариантом замены аутокости. С 1965 г. в клинической практике используются аллогенные имплантаты частично деминерализованного костного матрикса, сочетающие остеоиндуктивное и остеокондуктивное действие. Однако клинические результаты применения данного материала оказались неоднозначными, что связано прежде всего со значительной вариабельностью остеопластического потенциала различных его образцов. По этой причине в клинической практике предпочтение отдается порой образцам недеминерализованной аллокости, дольше сохраняющим свою структуру. В настоящей работе рассмотрены факторы, влияющие на остеоиндуктивную активность частично деминерализованного костного матрикса, связанные как с технологическими вопросами его получения, так и с клиническими условиями применения. Обсуждены проблемы возможного совершенствования данного материала в целях его дальнейшего использования в медицинской практике.

osteoinductionallo-osteoplastybone morphogenetic proteinsectopic osteogenesisdemineralized bone matrixостеоиндукцияаллоостеопластикакостные морфогенетические протеиныэктопический остеогенездеминерализованный костный матриксDreyer CH, Rasmussen M, Pedersen RH, et al. Comparisons of Efficacy between Autograft and Allograft on Defect Repair In Vivo in Normal and Osteoporotic Rats. Biomed Res Int. 2020;2020:9358989. doi: https://doi.org/10.1155/2020/9358989Arrington ED, Smith WJ, Chambers HG, et al. Complications of iliac crest bone graft harvesting. Clin Orthop Relat Res. 1996;329: 300–309. doi: https://doi.org/10.1097/00003086-199608000-00037Brink O. The choice between allograft or demineralized bone matrix is not unambiguous in trauma surgery. Injury. 2021;52(Suppl2):S2–S28. doi: https://doi.org/10.1016/j.injury.2020.11.013Urist MR. Bone: Formation by Autoinduction // Science. 1965; 150(3698):893–899. doi: https://doi.org/10.1126/science.150.3698.893Majzoub J, Ravida A, Starch-Jensen T, et al. Del Amo F. The Influence of Different Grafting Materials on Alveolar Ridge Preservation: a Systematic Review. J Oral Maxillofac Res. 2019;10(3):e6. doi: https://doi.org/10.5037/jomr.2019.10306Urist MR, Strates BS. Bone morphogenetic protein. J Dent Res. 1971; 50(6):1392–1406. doi: https://doi.org/10.1177/00220345710500060601Ramly EP, Alfonso AR, Kantar RS, et al. Safety and Efficacy of Recombinant Human Bone Morphogenetic Protein-2 (rhBMP-2) in Craniofacial Surgery. Plast Reconstr Surg Glob Open. 2019;7(8):e2347. doi: https://doi.org/10.1097/GOX.0000000000002347Кириллова И.А. Деминерализованный костный трансплантат как стимулятор остеогенеза: Современные концепции // Хирургия позвоночника. — 2004. — № 3. — С. 105–110. [Kirillova IA. Demineralizovannyj kostnyj transplantat kak stimuljator osteogeneza: Sovremennye koncepcii. Hirurgija pozvonochnika. 2004;3:105–110. (In Russ.)]Zu Z, He L, Shang H, et al. Overexpression of Bone Morphogenetic Protein-1 Promotes Osteogenesis of Bone Marrow Mesenchimal Stem Cells In Vitro. Med Sci Monit. 2020;26:e920122-8 doi: https://doi.org/10.12659/MSM.920122Gandhi NS, Mancera RL. Prediction of heparin binding sites in bone morphogenetic proteins (BMPs). Biochim Biophys Acta. 2012;1824(12):1374–1381. doi: https://doi.org/10.1016/j.bbapap.2012.07.002Sampath TK, Vukicevic S. Biology of bone morphogenetic protein in bone repair and regeneration: A role for autologous blood coagulum as carrier. Bone. 2020;141:115602. doi: https://doi.org/10.1016/j.bone.2020.115602Nampo T, Watahiki J, Enomoto A, et al. A new method for alveolar bone repair using extracted teeth for the graft material. J Periodontol. 2010 ;81(9):1264–1272. doi: https://doi.org/10.1902/jop.2010.100016Кириллова И.А., Николаев С.В., Подорожная В.Т., и др. Матрикс из кости человека как основа тканеинженерной конструкции // Актуальные вопросы тканевой и клеточной трансплантологии: сб. науч. трудов. — Астрахань, 2017. — С. 47–50. [Kirillova IA, Nikolaev SV, Podorozhnaja VT, i dr. Matriks iz kosti cheloveka kak osnova tkaneinzhenernoj konstrukcii. Aktual’nye voprosy tkanevoj i kletochnoj transplantologii. Sb. nauchnyh trudov. Astrahan’; 2017. S. 47–45. (In Russ.)]Masters LB, Melloning JT, Brunsvold MA, et al. A clinical evaluation of demineralized freeze-dried bone allograft in combination with tetracycline in the treatment of periodontal osseous defects. J Periodontol. 1996;67(8):770–781. doi: https://doi.org/10.1902/jop.1996.67.8.770Панкратов А.С., Древаль А.А., Пылаев А.С., и др. Использование остеопластических материалов при лечении нагноившейся костной раны нижней челюсти в эксперименте // Российский стоматологический журнал. — 2000. — № 5. — С. 4–6. [Pankratov AS, Dreval’ AA, Pylaev AS, i dr. Ispol’zovanie osteoplasticheskih materialov pri lechenii nagnoivshejsja kostnoj rany nizhnej cheljusti v jeksperimente. Rossijskij stomatologicheskij zhurnal. 2000;5:4–6. (In Russ.)]Francis CS, Mobin SS, Lypka MA, et al. rhBMP-2 with a demineralized bone matrix scaffold versus autologous iliac crest bone graft for alveolar cleft reconstruction. Plast Reconstr Surg. 2013;131(5):1107–1115. doi: https://doi.org/10.1097/PRS.0b013e3182865dfbHan B., Tang B., Nimni M.E. Quntative and sensitive in vitro assay for osteinductive activity of demineralized bone matrix. J Orthop Res. 2003;21(4):648–654. doi: https://doi.org/10.1016/S0736-0266(03)00005-6Pieske O, Wittmann A, Zaspel J, et al. Autologous bone graft versus demineralized bone matrix in internal fixation of ununited long bones. J Trauma Manag Outcomes. 2009;3:11. doi: https://doi.org/10.1186/1752-2897-3-11Committee on Research, Science and Therapy of the American Academy of Periodontology. Tissue banking of bone allografts used in periodontal regeneration. J Periodontol. 2001;72(6):834–838. doi: https://doi.org/10.1902/jop.2001.72.6.834Veronesi F, Maglio M, Brogini S, et al. In vivo studies on osteoinduction: A systematic review on animal models, implant site, and type and postimplantation investigation. J Biomed Mater Res A. 2020;108(9):1834–1866. doi: https://doi.org/10.1002/jbm.a.36949Савельев В.И., Хлебович Н.В. Первый опыт оценки индуктивных свойств костных трансплантатов, деминерализованных ортофосфорной кислотой // Деминерализованный костный трансплантат и его применение: сб. научн. трудов НИИТО им. Вредена. — СПб., 1993. — С. 125–129. [Savel’ev VI, Hlebovich NV. Pervyj opyt ocenki induktivnyh svojstv kostnyh transplantatov, demineralizovannyh ortofosfornoj kislotoj. Demineralizovannyj kostnyj transplantat i ego primenenie. Sb. nauchn. trudov NIITO im. Vredena. Saint Petesburg; 1993. S.125–129. (In Russ.)]Лекишвили М.В. Современная российская технология изготовления деминерализованных костных аллоимплантатов, ее комплексная оценка // Технологии живых систем. — 2005. — Т. 121. — № 2. — С. 41–42. [Lekishvili MV. Sovremennaja rossijskaja tehnologija izgotovlenija demineralizovannyh kostnyh alloimplantatov, ee kompleksnaja ocenka. Tehnologii zhivyh sistem. 2005;121(2):41–42. (In Russ.)]Tang G., Liu Zh., Liu Yi, et al. Recent Trends in the Development of Bone Regenerative Biomaterials. Front Cell Dev Biol. 2021;9:665813. doi: https://doi.org/10.3389/fcell.2021.665813Воробьев К.А., Божкова С.А., Тихилов Р.М., и др. Современные способы обработки и стерилизации костных тканей // Травматология и ортопедия России. — 2017. — Т. 23. — № 3. — С. 134–147. [Vorob’ev KA, Bozhkova SA, Tihilov RM, et al. Sovremennye sposoby obrabotki i sterilizacii kostnyh tkanej. Travmatologija i Ortopedija Rossii. 2017;23(3):134–147. (In Russ.)] doi: https://doi.org/10.21823/2311-2905-2017-23-3-134-147Burton B, Gaspar A, Josey D, et al. Bone embrittlement and collagen modifications due to high-dose gamma-irradiation sterilization. Bone. 2014;61:71–78. doi: https://doi.org/10.1016/j.bone.2014.01.006Akkus O, Belaney R.Y., Das P. Free radical scavening alleviates the biomechanical impairment of gamma radiation sterilized bone tissue. J Orthop Res. 2005;23(4):838–845. doi: https://doi.org/10.1016/j.orthres.2005.01.007Сенотов А.С., Кирсанова П.О., Просвирин А.А., и др. Разработка методов повышения биосовместимости остеопластических биоматериалов для реконструктивной хирургии // Актуальные вопросы тканевой и клеточной трансплантологии: сб. науч. трудов. — Астрахань, 2017. — С. 24–26. [Senotov AS, Kirsanova PO, Prosvirin AA, et al. Razrabotka metodov povyshenija biosovmestimosti osteoplasticheskih biomaterialov dlja rekonstruktivnoj hirurgii. Aktual’nye voprosy tkanevoj i kletochnoj transplantologii. Sb. nauchnyh trudov. Astrahan’; 2017. S. 24–26. (In Russ.)]Rasch A, Naujokat H, Wang F, et al. Evaluation of bone allograft processing methods: Impact on decellularization efficacy, biocompatibility and mesenchymal stem cell functionality. PLoS One. 2019;14(6):e0218404. doi: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0218404Денисов-Никольский Ю.И., Матвейчук И.В., Розанов В.В. Инновационные подходы к структурно-функциональному анализу костной ткани для решения фундаментальных и прикладных задач в биоимплантологии и биоматериаловедении // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. — 2012. — № 1. — С. 223–228. [Denisov-Nikol’skij JuI, Matvejchuk IV, Rozanov VV. Innovacionnye podhody k strukturno-funkcional’nomu analizu kostnoj tkani dlja reshenija fundamental’nyh i prikladnyh zadach v bioimplantologii i biomaterialovedenii. Voprosy Biologicheskoj, Medicinskoj i Farmacevticheskoj Himii. 2012;1:223–228. (In Russ.)]Лекишвили М.В., Матвейчук И.В., Розанов В.В., и др. Научно-методические основы оптимизации технологии изготовления костных имплантатов // Актуальные вопросы тканевой и клеточной трансплантологии: сб. науч. трудов. — Астрахань, 2017. — С. 5–7. [Lekishvili MV, Matvejchuk IV, Rozanov VV, i dr. Nauchno-metodicheskie osnovy optimizacii tehnologii izgotovlenija kostnyh implantatov Aktual’nye voprosy tkanevoj i kletochnoj transplantologii. Sb. nauchnyh trudov. Astrahan’; 2017. S. 5–7. (In Russ.)]Muthukumaran N, Ma S, Reddi AH. Dose-dependence of and threshold for optimal bone induction by collagenous bone matrix and osteogenin-enriched fraction. Coll Relat Res. 1988;8(5):433–441. doi: https://doi.org/10.1016/S0174-173X(88)80016-5Piattelli A, Scarano A, Corigliano M, et al. Comparison of bone regeneration with the use of mineralized and demineralized freeze-dried bone allografts: a histological and histochemical study in man. Biomaterials. 1996;17(11):1127–1231. doi: https://doi.org/10.1016/0142-9612(96)85915-1Lee DW, Koo KT, Seol YJ, et al. Bone regeneration effects of human allogenous bone substitutes: a preliminary study. J Periodontal Implant Sci. 2010;40(3):132–138. doi: https://doi.org/10.5051/jpis.2010.40.3.132Yang S, Lan L, Miron RJ, et al. Variability in Particle Degradation of Four Commonly Employed Dental Bone Grafts. Clin Implant Dent Relat Res. 2015;17(5):996–1003. doi: https://doi.org/10.1111/cid.12196Landesman R, Reddi AH. In vivo analysis of the half-life of the osteoinductive potential of demineralized bone matrix using diffusion chambers. Calcif Tissue Int. 1989;45(6):348–353. doi: https://doi.org/10.1007/BF02556005Thrailkill K, Cockrell G, Simpson P, et al. Physiological matrix metalloproteinase (MMP) concentrations: comparison of serum and plasma specimens. Clin Chem Lab Med. 2006;44(4):503–504. doi: https://doi.org/10.1515/CCLM.2006.090Wood RA, Mealey BL. Histologic comparison of healing after tooth extraction with ridge preservation using mineralized versus demineralized freeze-dried bone allograft. J Periodontol. 2012;83(3):329–336. doi: https://doi.org/10.1902/jop.2011.110270Stumbras A, Kuliesius P, Januzis G, et al. Alveolar Ridge Preservation after Tooth Extraction Using Different Bone Graft Materials and Autologous Platelet Concentrates: a Systematic Review. J Oral Maxillofac Res. 2019;10(1):e2. doi: https://doi.org/10.5037/jomr.2019.10102Patel A, Greenwell H, Hill M, et al. Ridge Augmentation Comparing an Allograft Plus Autogenous Bone Chips to an Osteoinductive Demineralized Bone Matrix: A Clinical and Histologic Study in Humans. Implant Dent. 2019;28(6):613–620. doi: https://doi.org/10.1097/ID.0000000000000925Anavi Lev K, Chaushu L, Schwarz F, et al. Bone-implant-contact and new formation around implants placed in FDB blocks compared to placement at the adjunction of particulate FDB. Clin Implant Dent Relat Res. 202;22(1):21–28. doi: https://doi.org/10.1111/cid.12856Mattioli-Belmonte M, Montemurro F, Licini C, et al. Cell-Free Demineralized Bone Matrix for Mesenchymal Stem Cells Survival and Colonization. Materials (Basel). 2019;12(9):1360. doi: https://doi.org/10.3390/ma12091360Reynolds MA, Bowers GM. Fate of demineralized freeze-dried bone allografts in human intrabony defects. J Periodontol. 1996;67(2):150–157. doi: https://doi.org/10.1902/jop.1996.67.2.150Zhang H, Yang L, Yang XG, et al. Demineralized Bone Matrix Carriers and their Clinical Applications: An Overview. Orthop Surg. 2019;11(5):725–737. doi: https://doi.org/10.1111/os.12509Cheng TL, Leblanc E, Kalinina A, et al. A Bioactive Coating Enhances Bone Allografts in Rat Models of Formation and Critical Defect Repair. J Orthop Res. 2019;37(11):2278–2286. doi: https://doi.org/10.1002/jor.24409Obregon-Miano F, Fathi A, Rathsam C, et al. Injectable porcine bone demineralized and digested extracellular matrix-PEGDA hydrogel blend for regeneration. J Mater Sci Mater Med. 2020;31(2):21. doi: https://doi.org/10.1007/s10856-019-6354-3Kim S, Fan J, Lee CS, et al. Heparinized chitosan stabilizes the bioactivity of BMP-2 and potentiates the osteogenic efficacy of demineralized bone matrix. J Biol Eng. 2020;14:6. doi: https://doi.org/10.1186/s13036-020-0231-yЛитвинов Ю.Ю. Получение костных имплантатов и имплантационных препаратов с антимикробными свойствами на основе стерильного деминерализованного костного матрикса // Вопросы биологической, медицинской и фармацевтической химии. — 2019. — Т. 22. — № 3. — С. 21–30. [Litvinov YuYu. Poluchenie kostnyh implantatov i implantacionnyh preparatov s antimikrobnymi svojstvami na osnove steril’nogo demineralizovannogo kostnogo matriksa. Voprosy Biologicheskoj, Medicinskoj i Farmacevticheskoj Himii. 2019;22(3):21–30. (In Russ.)] doi: https://doi.org/10.29296/25877313-2019-03-04Simonffy L, Minya F, Trimmel B, et al. Albumin-Impregnated Allograft Filling of Surgical Extraction Sockets Achieves Better BoneRemodeling Than Filling with Either Blood Clot or Bovine Xenograft. Int J Oral Maxillofac Implants. 2020;35(2):297–304. doi: https://doi.org/10.11607/jomi.7554Sethi AK, Kar IB, Mohanty T, et al. Use of plasma-enriched demineralized freeze-dried bone matrix in postsurgical jaw defects. Natl J Maxillofac Surg. 2018;9(2):174–183. doi: https://doi.org/10.4103/njms.NJMS_33_18Gurinsky BS, Mills MP, Mellonig JT Clinical evaluation of demineralized freeze-dried bone allograft and enamel matrix derivative versus enamel derivative alone for the treatment of periodontal osseous defects in humans. J Periodontol. 2004;75(10):1309–1318. doi: https://doi.org/10.1902/jop.2004.75.10.1309Рагинов И.С., Егоров В.И., Валиуллин Л.Р., и др. Влияние производных пиримидина на регенерацию костной ткани // Актуальные вопросы тканевой и клеточной трансплантологии: сб. науч. трудов. — Астрахань, 2017. — С. 161–162. [Raginov IS, Egorov VI, Valiullin LR, i dr. Vlijanie proizvodnyh pirimidina na regeneraciju kostnoj tkani. Aktual’nye voprosy tkanevoj i kletochnoj transplantologii. Sb. nauchnyh trudov. Astrahan’, 2017. S. 161–162. (In Russ.)]Bae EB, Park KH, Shim JH, et al. Efficacy of rhBMP-2 Loaded PCL/β-TCP/bdECM Scaffold Fabricated by 3D Printing Technology on Regeneration. Biomed Res Int. 2018;2018:2876135. doi: https://doi.org/10.1155/2018/2876135Liang F, Yen SL, Imahiyerobo T, et al. Three-Dimensional Cone Beam Computed Tomography Volumetric Outcomes of rhBMP-2/ Demineralized Bone Matrix versus Iliac Crest Bone Graft for Alveolar Cleft Reconstruction. Plast Reconstr Surg. 2017;140(4):767–774. doi: https://doi.org/10.1097/PRS.0000000000003686Ryabov A, Likishvili M, Yurasova J, et al. Local Application of Bisphosphonates: A Literature Review. Tissue Science & Engineering. 2016;7:2. doi: https://doi.org/10.4172/2157-7552.1000172Finkemeier CG. Bone-grafting and bone-graft substitutes. J Bone Joint Surg Am. 2002;84(3):454–464. doi: https://doi.org/10.2106/00004623-200203000-00020Лекишвили М.В., Рябов А.Ю., Панкратов А.С., и др. Использование частично деминерализованного аллогенного имплантата свода черепа для возмещения дефектов костей средней и верхней зон лица // Голова и шея (Head & Neck). — 2018. — № 1. — С. 29–34. [Lekishvili MV, Rjabov AJu, Pankratov AS, i dr. Ispol’zovanie chastichno demineralizovannogo allogennogo implantata svoda cherepa dlja vozmeshhenija defektov kostej srednej i verhnej zon lica. Golova i sheja (Head & Neck). 2018;1:29–34. (In Russ.)]Cavallo M, Maglio M, Parrilli A, et al. Vascular Supply and BMC for the Improvement of Allograft in Bone Defects: A Comparative In Vivo Study. J Surg Res. 2020;252:1–8. doi: https://doi.org/10.1016/j.jss.2020.02.015Li Q, Zhang W, Zhou G, et al. Demineralized bone matrix-based microcarrier scaffold favors vascularized large boneregeneration in vivo in a rat model. J Biomater Appl. 2018;33(2):182–195. doi: https://doi.org/10.1177/088532821878437Xie H, Wang Zh, Zhang L, et al. Extracellular Vesicle-functionalized Decalcified Bone Matrix Scaffolds with Enhanced Pro-angiogenic and Pro-bone Regeneration Activities. Sci Rep. 2017;7:45622 doi: https://doi.org/10.1038/srep45622Al-Moraissi EA, Alkhutari AS, Abotaleb B, et al. Do osteoconductive bone substitutes result in similar bone regeneration for maxillary sinus augmentation when compared to osteogenic and osteoinductive bone grafts? A systematic review and frequentist network meta-analysis. Int J Oral Maxillofac Surg. 2020;49(1):107–120. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijom.2019.05.004