Функционализация кальцийфосфатных и композиционных материалов биологически активными соединениями для адресной доставки в костную ткань

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель исследования. Разработка способа функционализации биоматериалов: октакальциевого фосфата (ОКФ) и минерал-полимерного композиционного материала (альгинат натрия / желатин / ОКФ), биоактивными соединениями лизата тромбоцитов (ЛТ) человека и ванкомицином методом биомиметического осаждения.

Материалы и методы. Функционализацию ОКФ в виде гранул и минерал-полимерного композиционного матрикса (альгинат натрия / желатин / ОКФ) осуществляли методом инкорпорации в процессе биомиметического осаждения фосфатов кальция на их поверхность. Поверхность материалов исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии, эффективность функционализации определяли по изменению концентрации инкорпорируемых соединений в растворе, а также с помощью изучения динамики их высвобождения в течение 8 сут спектрофотометрическим и иммуноферментным методами. Антимикробную активность функционализированных ванкомицином образцов оценивали in vitro диско-диффузионным методом в отношении дикого штамма Staphylococcus aureus.

Результаты. Исследование динамики высвобождения инкорпорированных соединений показало, что функционализация ОКФ ванкомицином более эффективна, чем ЛТ. Выход антибиотика сохранялся в течение 3 сут, тогда как факторов роста ЛТ — в течение 30 мин. При инкорпорации антибиотика в композиционный матрикс полное высвобождение препарата происходило за 24 ч. В исследовании in vitro установлено, что материалы вызывают задержку роста штамма Staphylococcus aureus, выраженность которой зависела от содержания антибиотика в экспериментальных образцах.

Заключение. С помощью разработанного метода инкорпорации лекарственных препаратов в процессе биомиметического осаждения был получен композиционный состав с антибактериальными свойствами, позволяющий осуществить адресную доставку ванкомицина непосредственно в зону костного дефекта.

Об авторах

Екатерина Алексеевна Кувшинова

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Автор, ответственный за переписку.
Email: beliay@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4331-239X
SPIN-код: 5228-5640
Scopus Author ID: 56736479200

младший научный сотрудник

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Наталия Валерьевна Петракова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук»

Email: petrakova.nv@mail.ru

канд. техн. наук, научный сотрудник

Россия, 119334 г. Москва, Ленинский проспект, 49

Наталья Сергеевна Сергеева

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: prognoz.06@mail.ru

д-р биол. наук, профессор, руководитель отделения

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Ирина Константиновна Свиридова

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: prognoz.06@mail.ru

канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Валентина Александровна Кирсанова

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: prognoz.06@mail.ru

канд. биол. наук, научный сотрудник

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Сурая Абдулаевна Ахмедова

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: prognoz.06@mail.ru

канд. биол. наук, научный сотрудник

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Павел Анатольевич Каралкин

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: pkaralkin@gmail.com

канд. биол. наук, старший научный сотрудник

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Анастасия Юрьевна Тетерина

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук»

Email: kinskusha@mail.ru

канд. технич. наук, младший научный сотрудник

Россия, 119334 г. Москва, Ленинский проспект, 49

Владимир Сергеевич Комлев

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук»

Email: komlev@mail.ru

д-р технич. наук, чл.-кор. РАН

Россия, 119334 г. Москва, Ленинский проспект, 49

Список литературы

  1. Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. — М.: Наука, 2014. [Barinov SM, Komlev VS. Calcium phosphate based bioceramics. Moscow: Nauka; 2014. (In Russ.).]
  2. Cancedda R, Dozin B, Giannoni P, Quarto R. Tissue engineering and cell therapy of cartilage and bone. Matrix Biol. 2003;22(1):81-91. https://doi.org/10.1016/s0945-053x(03)00012-x.
  3. Tang Z, Li X, Tan Y, et al. The material and biological characteristics of osteoinductive calcium phosphate ceramics. Regen Biomat. 2018;5(1):43-59. https://doi.org/10.1093/rb/rbx024.
  4. Dorozhkin SV. Multiphasic calciumorthophosphate (CaPO4) bioceramics and theirbiomedicalapplications. Review paper. Ceram Int. 2016;42(6):6529-6554. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.01.062.
  5. Bouler JM, Pilet P, Gauthier O, Verron E. Biphasic calcium phosphate ceramics for bone reconstruction: a review of biological response. Acta Biomaterialia. 2017;53:1-12. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2017.01.076.
  6. Wang Z, Xiao ZW, Fan HS. Fabrication of micro-grooved patterns on hydroxyapatite ceramics and observation of earlier response of osteoblasts to the patterns. J Inorg Mat. 2013;28(1):51-57. https://doi.org/10.3724/SP.J.1077.2013.12093.
  7. Ridi F, Meazzini I, Castroflorio B, et al. Functional calcium phosphate composites in nanomedicine. Adv Colloid Interface Sci. 2017;244:281-295. https://doi.org/10.1016/j.cis.2016.03.006.
  8. Stapleton M, Sawamoto K, Alméciga-Díaz CJ, et al. Development of bone targeting drugs. Review. Int J Mol Sci. 2017;18(7):1345. https://doi.org/10.3390/ijms18071345.
  9. Barrere F, Layrolle P, van Blitterswijk CA, de Groot K. Biomimetic coatings on titanium: a crystal growth study of octacalcium phosphate. J Mater Sci: Mater Med. 2001;12:529-534. https://doi.org/10.1023/a:1011271713758.
  10. Lu X, Leng Y. Theoretical analysis of calcium phosphate precipitation in simulated body fluid. Biomater. 2005;26:1097-1108. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.05.034.
  11. Forsgren J, Brohede U, Stromme M, Engqvist H. Co-loading of bisphosphonates and antibiotics to a biomimetic hydroxyapatite coating. Biotechnol Lett. 2011;33:1265-1268. https://doi.org/10.1007/s10529-011-0542-7.
  12. Kazemzadeh-Narbat M, Lai BFL, Ding C, et al. Multilayered coating on titanium for controlled release of antimicrobial peptides for the prevention of implant-associated infections. Biomater. 2013;34(24):5969-5977. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2013.04.036.
  13. Lin X, de Groot K, Wang D, et al. A review paper on biomimetic calcium phosphate coatings. Open Biomed Eng J. 2015;9(Suppl 1-M4):56-64. https://doi.org/10.2174/1874120701509010056.
  14. Yu X, Wei M. Preparation and evaluation of parathyroid hormone incorporated CaP coating via a biomimetic method. J Biomed Mater Res. Pt B: Appl Biomat. 2011;97B(2):345-354. https://doi.org/10.1002/jbm.b.31820.
  15. Кувшинова E.A., Петракова Н.В., Сергеева Н.С., и др. Функционализация кальцийфосфатных материалов биологически активными соединениями белковой природы. Biomedical Chemistry: Research and Methods. 2019;2(3):e00096. [Kuvshinova EA, Petrakova NV, Sergeeva NS, et al. The functionalization of calcium phosphate materials of protein-based biologically active molecules. Biomedical Chemistry: Research and Methods. 2019;2(3):e00096. (In Russ.)] https://doi.org/10.18097/bmcrm00096.
  16. Комлев В.С., Федотов А.Ю. Способ получения керамики на основе октакальциевого фоcфата. Патент на изобретение РФ RU 2596504 C1; 2014. [Komlev VS, Fedotov AYu. Method of producing ceramic based on octacalcium phosphate (OCP). Patent RU 2596504 C1; 2014. (In Russ.)]
  17. Komlev VS, Sergeyeva NS, Fedotov AY, et al. Investigation of physicochemical and biological properties of composite matrices in a alginate-calcium phosphate system intended for use in prototyping technologies during replacement of bone defects. Inorg Mater: Appl Resh. 2016;7(4):630-634. https://doi.org/10.1134/S2075113316040158.
  18. Каралкин П.А., Сергеева Н.С., Комлев В.С., и др. Биосовместимость и остеопластические свойства минерал-полимерных композиционных материалов на основе альгината натрия, желатина и фосфатов кальция, предназначенных для трехмерной печати костнозамещающих конструкций. Гены и клетки. 2016;11(3):1-8. [Karalkin PA, Sergeeva NS, Komlev VS, et al. Biocompatibility and osteoplastic properties of mineral polymer composite materials based on sodium alginate, gelatin, and calcium phosphates intended for 3D-printing of the constructions for bone replacement. Genes and cells. 2016;11(3):1-8. (In Russ.)]
  19. Petrakova NV, Kuvshinova EA, Ashmarin AA, et al. Calcium phosphate ceramic surface coating via precipitation approach. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019;525:012101. https://doi.org/10.1088/1757-899X/525/1/012101.
  20. Сергеева Н.С., Шанский Я.Д., Свиридова И.К., и др. Биологические эффекты тромбоцитарного лизата при добавлении в среду культивирования клеток человека. Гены и клетки. 2014;9(1):77-85. [Sergeeva NS, Shansky YaD, Sviridova IK, et al. Biological effects of platelet lysate added to cultural medium of human cells. Genes and cells. 2014;9(1):77-85. (In Russ.)]
  21. Шанский Я.Д., Сергеева Н.С., Свиридова И.К., и др. Исследование лизата тромбоцитов человека как перспективной ростовой добавки для культивирования стволовых и других типов клеток. Клеточные технологии в биологии и медицине. 2013;3:153-158. [Shansky YaD, Sergeeva NS, Sviridova IK, et al. Study of human platelet lysate as a promising growth additive for the cultivation of stem and other types of cells. Kletochnyye tekhnologii v biologii i meditsine. 2013;3:153-158. (In Russ.)]
  22. Ferraro MJ. Performance standards for antimicrobial susceptibility testing: Ninth informational supplement. NCCLS document M100-S9. 1999;19(1):104.
  23. Methods for the determination of susceptibility of bacteria to antimicrobial agents. EUCAST Definitive document. Clin Microbiol Infect. 1998;4:291-296.
  24. Stigter M, Bezemer J, de Groot K, Layrolle P. Incorporation of different antibiotics into carbonated hydroxyapatite coatings on titanium implants, release and antibiotic efficacy. J Controll Release. 2004;99(1):127-137. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2004.06.011.
  25. Комлев В.С., Федотов А.Ю., Тетерина А.Ю. и др. Способ получения композиционного трехмерного каркаса для замещения костно-хрящевых дефектов. Патент на изобретение РФ RU 2606041 C2; 2017. [Komlev VS, Fedotov AYu, Teterina AYu, et al. Method of producing composite 3D frame for replacement of bone-cartilage defects. Patent RU 2606041 C2; 2017. (In Russ.)]
  26. Komlev VS, Barinov SM, Bozo II, et al. Bioceramics composed of octacalcium phosphate demonstrate enhanced biological behavior. ACS Appl Mater Interfaces. 2014;6:16610-16620. https://doi.org/10.1021/am502583p.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Динамика выхода общего белка лизата тромбоцитов из октакальциевого фосфата при инкорпорации в 10 % (кривая 1) и 20 % (кривая 2) растворе лизата тромбоцитов

Скачать (103KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Динамика выхода ванкомицина из октакальциевого фосфата при инкорпорации в растворах с исходной концентрацией антибиотика 8,0 мг/мл (кривая 1) и 16,0 мг/мл (кривая 2)

Скачать (110KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микрофотографии поверхности исходного композиционного материала: а — ув. ×250, b — ув. ×5000; материала с модифицированной поверхностью: с — ув. ×5000

Скачать (234KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Динамика выхода ванкомицина из композиционного матрикса при инкорпорации в растворах с исходной концентрацией 5,0 мг/мл (кривая 1) и 50,0 мг/мл (кривая 2)

Скачать (112KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зоны подавления бактериального роста: a — контрольными образцами (нефункционализированные матриксы), 0–5 мм; b — функционализированными образцами, содержащими 0,1 мг/мг ванкомицина, 16,0 мм; c — функционализированными образцами, содержащими 2,0 мг/мл ванкомицина, 20,0 мм

Скачать (308KB)
Метаданные

© ООО "Эко-Вектор", 2020



Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».