Проблемы и перспективы консервирования костно-хрящевых трансплантатов

Введение. Суставной гиалиновый хрящ имеет особые структурно-функциональные характеристики, сохранение которых имеет критическое значение при консервировании трансплантатов, содержащих хрящевую ткань. Аллогенные костно-хрящевые трансплантаты (КХТ) являются перспективными при лечении дефектов суставного аппарата. Однако широкое клиническое применение КХТ имеет существенные затруднения, связанные с выбором эффективных методик консервации и стерилизации.

Цель. Провести комплексный анализ современных методов консервирования аллогенных КХТ с оценкой их влияния на структурную целостность ткани, биомеханические свойства и клеточную жизнеспособность.

Материал и методы. В работе систематизированы сведения из научных публикаций, отобранных в базах данных Scopus, PubMed, eLibrary и КиберЛенинка за период с 1980 по 2024 год, с акцентом на исследования, опубликованные за последние 15 лет.

Результаты. Криоконсервирование рассматривается как наиболее удобный метод длительного хранения КХТ, однако его эффективность существенно зависит от оптимизации протоколов, включая подбор адекватных криопротекторов, режимов замораживания и оттаивания. Лиофилизация позволяет успешно сохранить костную часть КХТ, однако вызывает значительную деформацию хрящевой части с потерей ее структурной организации и механических свойств. Хранение КХТ в жидких консервирующих растворах обеспечивает кратковременную сохранность трансплантата (не более 2–3 недель), однако сопровождается прогрессирующим снижением его биомеханических характеристик и развитием отека матрикса. Применение химических агентов (альдегидов, спиртов, глицерина) для консервации КХТ представляется нецелесообразным из-за их выраженного цитотоксического действия и негативного влияния на архитектонику ткани. В качестве потенциально перспективного направления рассматривается обработка сверхкритическим диоксидом углерода, позволяющая сочетать стерилизацию тканей с сохранением их структурных свойств.

Заключение. Разработка эффективных методов консервирования аллогенных КХТ, обеспечивающих сохранение их структурно-функциональных характеристик и биологической активности, остается актуальной междисциплинарной задачей, требующей интеграции достижений клеточной биологии, криобиологии и тканевой инженерии. На текущем этапе криоконсервирование представляет собой наиболее обоснованный подход, тогда как другие методы нуждаются в дальнейшей экспериментальной и клинической верификации.

1. Шилько С.В., Ермаков С.Ф. Роль жидкой фазы и пористой структуры хряща в формировании биомеханических свойств суставов. Часть 1. Российский журнал биомеханики. 2008;12(2):31–40.

2. Boyan BD, Dean DD, Lohmann CH, Niederauer GG, McMillan J, Sylvia VL, et al. Cartilage regeneration. Oral Maxillofac Surg Clin North Am. 2002;14(1):105-116. PMID: 18088614 https://doi.оrg/10.1016/s1042-3699(02)00017-1

3. Hu W, Chen Y, Dou C, Dong S. Microenvironment in subchondral bone: predominant regulator for the treatment of osteoarthritis. Ann Rheum Dis. 2021;80(4):413–422. PMID: 33158879 https://doi.оrg/10.1136/annrheumdis-2020-218089

4. Johnson CC, Johnson DJ, Garcia GH, Wang D, Pais M, Degen RM, et al. High Short-term failure rate associated with decellularized osteochondral allograft for treatment of knee cartilage lesions. Arthroscopy. 2017;33(12):2219–2227. PMID: 28967543 https://doi.оrg/10.1016/j.arthro.2017.07.018

5. Simon TM, Jackson DW. Articular cartilage: injury pathways and treatment options. Sports Med Arthrosc Rev. 2018;26(1):31–39. PMID: 29300225 https://doi.оrg/10.1097/JSA.0000000000000182

6. Егиазарян К.А., Лазишвили Г.Д., Ратьев А.П., Сиротин И.В., Бут-Гусаим А.Б., Данилов М.А. и др. Современные тенденции в лечении локальных хрящевых дефектов коленного сустава. Хирургическая практика. 2020;3(43):65–72. https://doi.org/10.38181/2223-2427-2020-3-65-72

7. Chen M, Guo W, Gao S, Hao C, Shen S, Zhang Z, et al. Biomechanical stimulus based strategies for meniscus tissue engineering and regeneration. Tissue Eng Part B Rev. 2018;24(5):392–402. PMID: 29897012 https://doi.оrg/10.1089/ten.TEB.2017.0508

8. Farr J, Gracitelli GC, Shah N, Chang EY, Gomoll AH. High failure rate of a decellularized osteochondral allograft for the treatment of cartilage lesions. Am J Sports Med. 2016;44(8):2015– 2022. PMID: 27179056 https://doi.оrg/10.1177/0363546516645086

9. Гилев Я.Х., Милюков А.Ю., Устьянцев Д.Д. Применение костно-хрящевой мозаичной пластики у пациентов с деформирующим остеоартрозом коленного сустава. Политравма. 2018;(1):32–38.

10. Insall J. The Pridie debridement operation for osteoarthritis of the knee. Clin Orthop Relat Res. 1974;101:61–67. PMID: 4837919

11. Brittberg M. Treatment of knee cartilage lesions in 2024: From hyaluronic acid to regenerative medicine. J Exp Orthop. 2024;11(2):e12016. PMID: 38572391 https://doi.оrg/10.1002/jeo2.12016

12. Huang Y, Fan H, Gong X, Yang L, Wang F. Scaffold with natural calcified cartilage zone for osteochondral defect repair in minipigs. Am J Sports Med. 2021;49(7):1883-1891. PMID: 33961510 https://doi.оrg/10.1177/03635465211007139

13. Jiang LB, Su DH, Liu P, Ma YQ, Shao ZZ, Dong J. Shape-memory collagen scaffold for enhanced cartilage regeneration: native collagen versus denatured collagen. Osteoarthritis Cartilage. 2018;26(10):1389–1399. PMID: 29944927 https://doi.оrg/10.1016/j.joca.2018.06.004

14. Котельников Г.П., Волова Л.Т., Ларцев Ю.В., Долгушкин Д.А., Тертерян М.А. Новый способ пластики дефектов суставного гиалинового хряща комбинированным клеточно-тканевым трансплантатом. Травматология и ортопедия России. 2010;1(55):150–155.

15. Лазишвили Г.Д., Егиазарян К.А., Ратьев А.П., Сиротин И.В., Гордиенко Д.И., Храменкова И.В. и др. Гибридная костно-хрящевая трансплантация – инновационная методика оперативного лечения рассекающего остеохондрита коленного сустава. Кафедра травматологии и ортопедии. 2020;1(39):59–66. https://doi.оrg/10.17238/issn2226-2016.2020.1.59-66

16. Маланин Д.А., Новочадов В.В., Самусев С.Р., Тетерин О.Г., Сучилин И.А., Жуликов А.Л. Инновационные технологии в восстановлении коленного сустава при его повреждениях и заболеваниях. Вестник Волгоградского государственного медицинского университета. 2009;2(30):7–13.

17. Zhang X, Zhang W, Yang M. Application of hydrogels in cartilage tissue engineering. Curr Stem Cell Res Ther. 2018;13(7):497–516. PMID: 29046163 https://doi.оrg/10.2174/1574888X12666171017160323

18. Alford JW, Cole BJ. Cartilage restoration, part 1: basic science, historical perspective, patient evaluation, and treatment options. Am J Sports Med. 2005;33(2):295–306. PMID: 15701618 https://doi.оrg/10.1177/0363546504273510

19. Liu X, Meng H, Guo Q, Sun B, Zhang K, Yu W, et al. Tissue-derived scaffolds and cells for articular cartilage tissue engineering: characteristics, applications and progress. Cell Tissue Res. 2018;372(1):13–22. PMID: 29368258 https://doi.оrg/10.1007/s00441-017-2772-z

20. Triche R, Mandelbaum BR. Overview of cartilage biology and new trends in cartilage stimulation. Foot and Ankle Clinics. 2013;18(1):1–12. PMID: 23465945 https://doi.оrg/10.1016/j.fcl.2012.12.001

21. Lamplot JD, Schafer KA, Matava MJ. Treatment of failed articular cartilage reconstructive procedures of the knee: a systematic review. Orthop J Sports Med. 2018;6(3):2325967118761871. PMID: 29619397 https://doi.оrg/10.1177/232596711876187

22. Landells JW. The reactions of injured human articular cartilage. J Bone Joint Surg Br. 1957;39-B(3):548–562. PMID: 13463046 https://doi.оrg/10.1302/0301-620X.39B3.548

23. Cheng A, Schwartz Z, Kahn A, Li X, Shao Z, Sun M, et al. Advances in porous scaffold design for bone and cartilage tissue engineering and regeneration. Tissue Eng Part B Rev. 2019;25(1):14–29. PMID: 30079807 https://doi.оrg/10.1089/ten.TEB.2018.0119

24. Steadman JR, Rodkey WG, Briggs KK. Microfracture: its history and experience of the developing surgeon. Cartilage. 2010;1(2):78–86. PMID: 26069538 https://doi.оrg/10.1177/1947603510365533

25. Nover AB, Stefani RM, Lee SL, Ateshian GA, Stoker AM, Cook LG, et al. Long-term storage and preservation of tissue engineered articular cartilage. J Orthop Res. 2016;34(1):141–148. PMID: 26296185 https://doi.оrg/10.1002/jor.23034

26. Wright GJ, Brockbank KG, Rahn E, Halwani DO, Chen Z, Yao H. Impact of storage solution formulation during refrigerated storage upon chondrocyte viability and cartilage matrix. Cells Tissues Organs. 2014;199(1):51–58. PMID: 25171188 https://doi.оrg/10.1159/000363134

27. Hu Y, Liu X, Liu F, Xie J, Zhu Q, Tan S. Trehalose in biomedical cryopreservation-properties, mechanisms, delivery methods, applications, benefits, and problems. ACS Biomater Sci Eng. 2023;9(3):1190–1204. PMID: 36779397 https://doi.оrg/10.1021/acsbiomaterials.2c01225

28. Макаров М.С. Влияние высоких концентраций диметилсульфоксида на биологическую активность тромбоцитов человека в плазме. Медицинский Алфавит. Современная Лаборатория. 2016;2(13(276)):48–51.

29. Tomford WW, Springfield DS, Mankin HJ. Fresh and frozen articular cartilage allografts. Orthopedics. 1992;15(10):1183–1188. PMID: 1409128 https://doi.оrg/10.3928/0147-7447-19921001-09

30. Wu K, Yong KW, Ead M, Sommerfeldt M, Skene-Arnold TD, Westover L, et al. Vitrified particulated articular cartilage for joint resurfacing: a swine model. Am J Sports Med. 2022;50(13):3671– 3680. PMID: 36259633 https://doi.оrg/10.1177/03635465221123045

31. Brockbank KG, Chen ZZ, Song YC. Vitrification of porcine articular cartilage. Cryobiology. 2010;60(2):217–221. PMID: 20026102 https://doi.оrg/10.1016/j.cryobiol.2009.12.003

32. Yamashita F, Sakakida K, Suzu F, Takai S. The transplantation of an autogeneic osteochondral fragment for osteochondritis dissecans of the knee. Clin Orthop Relat Res. 1985;(201):43–50. PMID: 3905131

33. Sriuttha W, Uttamo N, Kongkaew A, Settakorn J, Rattanasalee S, Kongtawelert P, et al. Ex vivo and in vivo characterization of cold preserved cartilage for cell transplantation. Cell Tissue Bank. 2016;17(4):721–734. PMID: 27522192 https://doi.оrg/10.1007/s10561-016-9577-2

34. Yu H, Al-Abbasi KK, Elliott JA, McGann LE, Jomha NM. Clinical efflux of cryoprotective agents from vitrified human articular cartilage. Cryobiology. 2013;66(2):121–125. PMID: 23291303 https://doi.оrg/10.1016/j.cryobiol.2012.12.005

35. Bugbee W. Editorial commentary: osteochondral allografting is a "Kid-Friendly" cartilage repair procedure. Arthroscopy. 2021;37(5):1597–1598. PMID: 33896511 https://doi.оrg/10.1016/j.arthro.2021.02.027

36. Malinin T, Temple HT, Buck BE. Transplantation of osteochondral allografts after cold storage. J Bone Joint Surg Am. 2006;88(4):762–770. PMID: 16595466 https://doi.оrg/10.2106/JBJS.D.0299

37. Sanz J, Elejabeitia J, Bazán A, García-Tutor E, Paloma V. The viability of cryopreserved onlay cranial bone allografts: a comparative experimental study versus fresh autografts. Ann Plast Surg. 1996;36(4):370–379. PMID: 8728579 https://doi.оrg/10.1097/00000637-199604000-00008

38. Rosa SC, Gonçalves J, Judas F, Lopes C, Mendes AF. Assessment of strategies to increase chondrocyte viability in cryopreserved human osteochondral allografts: evaluation of the glycosylated hydroquinone, arbutin. Osteoarthritis Cartilage. 2009;17(12):1657–1661. PMID: 19751692 https://doi.оrg/10.1016/j.joca.2009.08.016

39. Fan MC, Wang QL, Sun P, Zhan SH, Guo P, Deng WS, et al. Cryopreservation of autologous cranial bone flaps for cranioplasty: a large sample retrospective study. World Neurosurg. 2018;109:e853–e859. PMID: 29107719 https://doi.оrg/10.1016/j.wneu.2017.10.112

40. ISO 14937:2009(en) Sterilization of health care products – General requirements for characterization of a sterilizing agent and the development, validation and routine control of a sterilization process for medical devices. International Organization for Standardization, 2009. Available at: https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:14937:ed-2:v1:en [Accessed June 11, 2025].

41. Hunziker R, Lumelsky N, Wang F. Editorial: Scaffolds for regenerative medicine: a special issue of the Annals of Biomedical Engineering. Ann Biomed Eng. 2015;43(3):487–488. PMID: 25773983 https://doi.оrg/10.1007/s10439-015-1296-5

42. Bugbee WD, Kolessar DJ, Davidson JS, Gibbon AJ, Lesko JP, Cosgrove KD. Single use instruments for implanting a contemporary total knee arthroplasty system are accurate, efficient, and safe. J Arthroplasty. 2021;36(1):135–139.e2. PMID: 32800434 https://doi.оrg/10.1016/j.arth.2020.07.025

43. Hunziker EB, Lippuner K, Keel MJ, Shintani N. An educational review of cartilage repair: precepts & practice – myths & misconceptions – progress & prospects. Osteoarthritis Cartilage. 2015;23(3):334–350. PMID: 25534362 https://doi.оrg/10.1016/j.joca.2014.12.011

44. Wongin S, Wangdee C, Nantavisai S, Banlunara W, Nakbunnum R, Waikakul S, et al. Evaluation of osteochondral-like tissues using human freeze-dried cancellous bone and chondrocyte sheets to treat osteochondral defects in rabbits. Biomater Sci. 2021;9(13):4701–4716. https://doi.оrg/10.1039/d1bm00239b

45. Jackson DW, Windler GE, Simon TM. Intraarticular reaction associated with the use of freeze-dried, ethylene oxide-sterilized bone-patella tendon-bone allografts in the reconstruction of the anterior cruciate ligament. Am J Sports Med. 1990;18(1):1–10. PMID: 2301680 https://doi.оrg/10.1177/03635465900180010

46. Brunner G. Applications of Supercritical Fluids. Annu Rev Chem Biomol Eng. 2010;(1):321–342. PMID: 22432584 https://doi.оrg/10.1146/annurev-chembioeng-073009-101311

47. Bui D, Lovric V, Oliver R, Bertollo N, Broe D, Walsh WR. Meniscal allograft sterilisation: Effect on biomechanical and histological properties. Cell Tissue Bank. 2015;16(3):467–475. PMID: 25589449 https://doi.оrg/10.1007/s10561-014-9492-3

48. Будаев А.А., Боровкова Н.В., Файн А.М., Николаев А.Ю., Макаров М.С., Сторожева М.В. и др. Оценка эффективности стерилизации аллогенных трансплантатов сухожилий сверхкритическим диоксидом углерода. Вестник медицинского института "РЕАВИЗ": реабилитация, врач и здоровье. 2023;13(4):145–153. https://doi.оrg/10.20340/vmi-rvz.2023.4.TX.2

49. Santos-Rosales V, Magariños B, Starbird R, Suárez-González J, Fariña J, Alvarez-Lorenzo C, et al. Supercritical CO2 technology for one-pot foaming and sterilization of polymeric scaffolds for bone regeneration. Int J Pharm. 2021;605:120801. PMID: 34139307 https://doi.оrg/10.1016/j.ijpharm.2021.120801

50. White A, Burns D, Christensen TW. Effective terminal sterilization using supercritical carbon dioxide. J Biotechnol. 2006;123(4):504–515. PMID: 16497403 https://doi.оrg/10.1016/j.jbiotec.2005.12.033