Стимуляция остеогенеза постоянным электрическим током (обзор литературы)

Обложка


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Стимуляция остеогенеза при лечении некоторых ортопедо-травматологических патологий является необходимым элементом для обеспечения лучшего клинического эффекта. Цель аналитического обзора — оценить подходы и возможности стимуляции остеогенеза с применением постоянного электрического тока на основе анализа литературных данных. Стратегия поиска литературных источников. Поиск источников проводился в открытых электронных базах научной литературы PubMed и eLIBRARY по ключевым словам и их словосочетаниям: «остеогенез», «репаративный остеогенез», «постоянный электрический ток», «ортопедия», «травматология», «электрический ток», «остеорепарация» (на русском и английском языках). Глубина поиска — 30 лет. Результаты. Согласно некоторым фундаментальным исследованиям, стимулирующий эффект постоянного тока состоит как в стимуляции дифференцировки и пролиферации остеобластов, так и в стимуляции дифференцировки стволовых клеток, в основном — мезенхимальных стволовых клеток костного мозга и жировой ткани в остеогенном направлении. К настоящему времени для стимуляции остеогенеза разработаны и апробированы в клинической практике три технологии: 1 — прямое воздействие постоянным током на кость; 2 — емкостное воздействие; 3 — индуктивное (электромагнитное) воздействие. Клинический опыт показывает, что технология 1 наиболее эффективна в части остеорепарации, однако менее безопасна, чем технологии 2 и 3. Для всех отмеченных технологий отсутствуют четкие показания и режимы применения электрического воздействия. Наиболее перспективной технологией авторы включенных в обзор статей считают технологию 1. Повышение параметров безопасности технологии 1 может быть достигнуто, если в качестве электрода использовать имплантируемые по медицинским показаниям металлические изделия и имплантаты: спицы, стержни, скобы, фиксаторы и т.д. Заключение. Использование электрического тока для стимуляции остеогенеза является перспективным методом, требующим уточнения по части показаний и режимов применения.

Об авторах

Е. Н. Овчинников

ФГБУ «Российский научный центр „Восстановительная травматология и ортопедия“ им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России

Автор, ответственный за переписку.
Email: omu00@list.ru

канд. биол. наук, ученый секретарь

Курган

Россия

М. В. Стогов

ФГБУ «Российский научный центр „Восстановительная травматология и ортопедия“ им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России

Email: fake@neicon.ru

д-р биол. наук, доцент, ведущий научный сотрудник 

Курган

Россия

Список литературы

  1. Buza J.A. 3rd, Einhorn T. Bone healing in 2016. Clin Cases Miner Bone Metab. 2016;13(2):101-105. doi: 10.11138/ccmbm/2016.13.2.101.
  2. Kostenuik P., Mirza F.M. Fracture healing physiology and the quest for therapies for delayed healing and nonunion. J Orthop Res. 2017;35(2):213-223. doi: 10.1002/jor.23460.
  3. Lewallen E.A., Riester S.M., Bonin C.A., Kremers H.M., Dudakovic A., Kakar S. et al. Biological strategies for improved osseointegration and osteoinduction of porous metal orthopedic implants. Tissue Eng Part B Rev. 2015;21(2):218-230. doi: 10.1089/ten.TEB.2014.0333.
  4. Gubin A.V., Borzunov D.Y., Malkova T.A. The Ilizarov paradigm: thirty years with the Ilizarov method, current concerns and future research. Int Orthop. 2013;37(8):1533-1539. doi: 10.1007/s00264-013-1935-0.
  5. Jauregui J.J., Ventimiglia A.V., Grieco P.W., Frumberg D.B., Herzenberg J.E. Regenerate bone stimulation following limb lengthening: a metaanalysis. BMC Musculoskelet Disord. 2016;17(1):407. doi: 10.1186/s12891-016-1259-5.
  6. Moraal J.M., Elzinga-Plomp A., Jongmans M.J., Roermund P.M., Flikweert P.E., Castelein R.M., Sinnema G. Long-term psychosocial functioning after Ilizarov limb lengthening during childhood. Acta Orthop. 2009;80(6):704-710. doi: 10.3109/17453670903473024.
  7. Hosny G.A. Humeral lengthening and deformity correction. J Child Orthop. 2016;10(6):585-592. doi: 10.1007/s11832-016-0789-6.
  8. Alzahrani M.M., Anam E.A., Makhdom A.M., Villemure I., Hamdy R.C. The effect of altering the mechanical loading environment on the expression of bone regenerating molecules in cases of distraction osteogenesis. Front Endocrinol (Lausanne). 2014;5:214. doi: 10.3389/fendo.2014.00214. eCollection 2014.
  9. Khalifeh J.M., Zohny Z., MacEwan M., Stephen M., Johnston W., Gamble P., Zeng Y., Yan Y., Ray W.Z. Electrical stimulation and bone healing: a review of current technology and clinical applications. IEEE Rev Biomed Eng. 2018;11:217-232. doi: 10.1109/RBME.2018.2799189.
  10. F errier J., Ross S.M., Kanehisa J., Aubin J.E. Osteoclasts and osteoblasts migrate in opposite directions in response to a constant electrical field. J Cell Physiol. 1986;129(3):283-288. doi: 10.1002/jcp.1041290303.
  11. Kumar A., Nune K.C., Misra R.D. Electric field-mediated growth of osteoblasts — the significant impact of dynamic flow of medium. Biomater Sci. 2016;4(1):136-144. doi: 10.1039/c5bm00350d.
  12. Thrivikraman G., Boda S.K., Basu B. Unraveling the mechanistic effects of electric field stimulation towards directing stem cell fate and function: A tissue engineering perspective. Biomaterials. 2018;150:60-86. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.10.003.
  13. Bodhak S., Bose S., Kinsel W.C., Bandyopadhyay A. Investigation of in vitro bone cell adhesion and proliferation on ti using direct current stimulation. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2012;32(8):2163-2168. doi: 10.1016/j.msec.2012.05.032.
  14. Eischen-Loges M., Oliveira K.M.C., Bhavsar M.B., Barker J.H., Leppik L. Pretreating mesenchymal stem cells with electrical stimulation causes sustained longlasting pro-osteogenic effects. Peer J. 2018;6:e4959. doi: 10.7717/peerj.4959.
  15. Wang X., Gao Y., Shi H., Liu N., Zhang W., Li H. Influence of the intensity and loading time of direct current electric field on the directional migration of rat bone marrow mesenchymal stem cells. Front Med. 2016;10(3):286-296. doi: 10.1007/s11684-016-0456-9.
  16. Mobini S., Leppik L., Thottakkattumana Parameswaran V., Barker J.H. In vitro effect of direct current electrical stimulation on rat mesenchymal stem cells. Peer J. 2017;5:e2821. doi: 10.7717/peerj.2821.
  17. Hu W.W., Hsu Y.T., Cheng Y.C., Li C., Ruaan R.C., Chien C.C., Chung C.A., Tsao C.W. Electrical stimulation to promote osteogenesis using conductive polypyrrole films. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2014;37:28-36. doi: 10.1016/j.msec.2013.12.019.
  18. Zhang J., Li M., Kang E.T., Neoh K.G. Electrical stimulation of adipose-derived mesenchymal stem cells in conductive scaffolds and the roles of voltagegated ion channels. Acta Biomater. 2016;32:46-56. doi: 10.1016/j.actbio.2015.12.024.
  19. Griffin M., Bayat A. Electrical stimulation in bone healing: critical analysis by evaluating levels of evidence. Eplasty. 2011;11:e34.
  20. Kuzyk P.R., Schemitsch E.H. The science of electrical stimulation therapy for fracture healing. Indian J Orthop. 2009;43(2):127-131. doi: 10.4103/0019-5413.50846.
  21. Anglen J. The clinical use of bone stimulators. J South Orthop Assoc. 2003;12(2):46-54.
  22. Beck B.R., Matheson G.O., Bergman G., Norling T., Fredericson M., Hoffman A.R., Marcus R. Do capacitively coupled electric fields accelerate tibial stress fracture healing? A randomized controlled trial. Am J Sports Med. 2008;36(3):545-553. doi: 10.1177/0363546507310076.
  23. Nelson F.R., Brighton C.T., Ryaby J., Simon B.J., Nielson J.H., Lorich D.G. et al. Use of physical forces in bone healing. J Am Acad Orthop Surg. 2003;11(5):344-354.
  24. Zhu S., Jing W., Hu X., Huang Z., Cai Q., Ao Y., Yang X. Time-dependent effect of electrical stimulation on osteogenic differentiation of bone mesenchymal stromal cells cultured on conductive nanofibers. J Biomed Mater Res A. 2017;105(12):3369-3383. doi: 10.1002/jbm.a.36181.
  25. Snyder M.J., Wilensky J.A., Fortin J.D. Current applications of electrotherapeutics in collagen healing. Pain Physician. 2002;5(2):172-181.
  26. Gan J.C., Glazer P.A. Electrical stimulation therapies for spinal fusions: current concepts. Eur Spine J. 2006;15(9):1301-1311. doi: 10.1007/s00586-006-0087-y.
  27. Griffin X.L., Costa M.L., Parsons N., Smith N. Electromagnetic field stimulation for treating delayed union or non-union of long bone fractures in adults. Cochrane Database Syst Rev. 2011;(4):CD008471. doi: 10.1002/14651858.CD008471.pub2.
  28. Dodge G.R., Bowen J.R., Oh C.W., Tokmakova K., Simon B.J., Aroojis A., Potter K. Electrical stimulation of the growth plate: a potential approach to an epiphysiodesis. Bioelectromagnetics. 2007;28(6):463-470. doi: 10.1002/bem.20329.
  29. Leppik L., Zhihua H., Mobini S., Thottakkattumana Parameswaran V., Eischen-Loges M., Slavici A. et al. Combining electrical stimulation and tissue engineering to treat large bone defects in a rat model. Sci Rep. 2018;8(1):6307. doi: 10.1038/s41598-018-24892-0.
  30. Волков Е.Е., Решетняк В.К., Домарацкая Е.И., Волков А.Е., Кучеряну В.Г., Буторина Н.Н., Паюшина О.В. Влияние низкочастотной электростимуляции на регенерацию костной ткани. Патологическая физиология и экспериментальная терапия. 2015;59(3): 94-99. doi: 10.25557/0031-2991.2015.03.94-99.
  31. Modarresi J., Aghili H., Karandish M., Jalali B., Zahir S.T. Effect of direct electric current on parietal bone osteogenesis. J Craniofac Surg. 2012;23(6):1607-1609. doi: 10.1097/SCS.0b013e3182575423.
  32. Курышев Д.А., Шеин В.Н. Оценка ближайших результатов непрямой остеопластики в лечении кист костей у детей. Детская хирургия. 2011;(5):32-34.
  33. Goldstein C., Sprague S., Petrisor B.A. Electrical stimulation for fracture healing: current evidence. J Orthop Trauma. 2010;24:S62-S65. doi: 10.1097/BOT.0b013e3181cdde1b.
  34. Pickering S.A., Scammell B.E. Electromagnetic fields for bone healing. Int J Low Extrem Wounds. 2002;1(3):152-160. doi: 10.1177/153473460200100302.
  35. Saxena A., Di Domenico L.A., Widtfeldt A., Adams T., Kim W. Implantable electrical bone stimulation for arthrodeses of the foot and ankle in high-risk patients: a multicenter study. J Foot Ankle Surg. 2005;44(6):450-454. doi: 10.1053/j.jfas.2005.07.018.
  36. Hughes M.S., Anglen J.O. The use of implantable bone stimulators in nonunion treatment. Orthopedics. 2010;33(3). doi: 10.3928/01477447-20100129-15.
  37. Szewczenko J., Marciniak J. The influence of electrostimulation with the use of direct and alternating current on the corrosion of Cr-Ni-Mo steel implants. Ortop Traumatol Rehabil. 2000;2(3):58-62.
  38. Dergin G., Akta M., Gürsoy B., Devecioglu Y., Kürkçü M., Benlidayi E. Direct current electric stimulation in implant osseointegration: an experimental animal study with sheep. J Oral Implantol. 2013;39(6):671-679. doi: 10.1563/AA ID-JO I-D-10-00172.
  39. Vanegas-Acosta J.C., Garzón-Alvarado D.A., Lancellotti V. Numerical simulation of electrically stimulated osteogenesis in dental implants. Bioelectrochemistry. 2014;96:21-36. doi: 10.1016/j.bioelechem.2013.12.001.
  40. Inan M., Alat I., Gurses I., Kekilli E., Kutlu R., Eskin A. et al. Induced angiogenesis with intramedullary direct current: experimental research. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2005;288(2):H705-709. doi: 10.1152/ajpheart.01222.2003.
  41. Isaacson B.M., Brunker L.B., Brown A.A., Beck J.P., Burns G.L., Bloebaum R.D. An evaluation of electrical stimulation for improving periprosthetic attachment. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2011;97(1):190-200. doi: 10.1002/jbm.b.31803.
  42. Yonemori K., Matsunaga S., Ishidou Y., Maeda S., Yoshida H. Early effects of electrical stimulation on osteogenesis. Bone. 1996;19(2):173-180.
  43. Schmidt-Malan S.M., Brinkman C.L., Greenwood-Quaintance K.E., Karau M.J., Mandrekar J.N., Patel R. Activity of electrical current in experimental propionibacterium acnes foreign-body osteomyelitis. Antimicrob Agents Chemother. 2017;61(2):e01863-16. doi: 10.1128/AAC .01863-16.
  44. Schmidt-Malan S.M., Brinkman C.L., Greenwood-Quaintance K.E., Karau M.J., Mandrekar J.N., Patel R. Activity of fixed direct electrical current in experimental Staphylococcus aureus foreign-body osteomyelitis. Diagn Microbiol Infect Dis. 2019;93(2):92-95. doi: 10.1016/j.diagmicrobio.2018.09.006.
  45. Доброродный Е.В. Нераскрытые возможности аппарата Илизарова. Известия ЮФУ. Технические науки. 2008;82(5):84-87.
  46. Ceballos A., Pereda O., Ortega R., Balmaseda R. Electrically-induced osteogenesis in external fixation treatment. Acta Orthop Belg. 1991;57(2): 102-108.
  47. El-Hakim I.E., Azim A.M., El-Hassan M.F., Maree S.M. Preliminary investigation into the effects of electrical stimulation on mandibular distraction osteogenesis in goats. Int J Oral Maxillofac Surg. 2004;33(1):42-47. doi: 10.1054/ijom.2003.0445.
  48. Hagiwara T., Bell W.H. Effect of electrical stimulation on mandibular distraction osteogenesis. J Craniomaxillofac Surg. 2000;28(1):12-19. doi: 10.1054/jcms.1999.0104.
  49. Peña-Martínez V., Lara-Arias J., Vilchez-Cavazos F., Álvarez-Lozano E., Montes de Oca-Luna R., Mendoza-Lemus Ó. [Interosseous electrostimulation in a model of lengthening with external fixation]. Cir Cir. 2017;85(2):127-134. (In Spanish). doi: 10.1016/j.circir.2016.07.001.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© ,


СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77 - 82474 от 10.12.2021.


Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах