Оценка биосовместимости и остеокондуктивности гибридного клеточно-тканевого трансплантата для регенеративной медицины костной ткани

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель – оценить биосовместимость и остеокондуктивность in vitro гибридного клеточно-тканевого трансплантата для регенеративной медицины костной ткани на основе биоорганического матрикса, мезенхимальных стромальных клеток костного мозга (КМ-МСК) человека и остеогенных факторов роста.

Материал и методы. Исследованы на биосовместимость с культурой КМ-МСК человека биоорганические матриксы, используемые в травматологии и ортопедии. Для направленной остеогенной дифференцировки КМ-МСК использовали аллогенную плазму, обогащенную растворимыми факторами тромбоцитов. Остеогенный потенциал КМ-МСК анализировали по синтезу последними мРНК ранних (фактора транскрипции 2 / Run X2, щелочная фосфатаза / ALP) и поздних генов (остеопонтин / OSP) остеогенеза. Свойства клеточной адгезии и пролиферации КМ-МСК в условиях трехмерного гибридного трансплантата оценивали с помощью МТТ-теста и флуоресцентной микроскопии.

Результаты. Установлена биосовместимость исследуемых биоорганических матриксов с КМ-МСК человека. Отмечена быстрая адгезия и пролиферация клеток между волокнами используемых матриксов. Также установлено, что аллогенная плазма, обогащенная растворимыми факторами тромбоцитов, достоверно влияет на остеогенную дифференцировку КМ-МСК человека in vitro, усиливая экспрессию маркерных генов RunX2, ALP, OSP. При имитации трехмерного гибридного клеточно-тканевого трансплантата in vitro показано формирование плотного контакта между аллогенной спонгиозой (костной тканью) и биоорганическим матриксом с помощью остеогенно предифференцированных КМ-МСК.

Выводы. Биологические свойства разработанного гибридного клеточно-тканевого трансплантата характеризуются биосовместимостью и остеокондуктивностью, что делает его перспективным для применения в регенеративной медицине, особенно в реконструктивной хирургии костных дефектов.

Об авторах

Н. Н. Данилкович

Республиканский научно-практический центр трансфузиологии и медицинских биотехнологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: nndanilkovich@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1245-0426

научный сотрудник лаборатории биологии и генетики стволовых клеток

Белоруссия, Минск

Светлана. М. Космачева

Республиканский научно-практический центр трансфузиологии и медицинских биотехнологий

Email: 4kosmacheva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1617-8845

заведующая лабораторией биологии и генетики стволовых клеток

Белоруссия, Минск

А. Г. Ионова

Республиканский научно-практический центр трансфузиологии и медицинских биотехнологий

Email: al_ionova96@mail.ru
ORCID iD: 0009-0000-3884-9112

младший научный сотрудник лаборатории биологии и генетики стволовых клеток

Белоруссия, Минск

К. А. Криворот

Республиканский научно-практический центр травматологии и ортопедии

Email: kirill.doc@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0456-2839

канд. мед. наук, доцент, заместитель директора по организационно-методической работе, врач-нейрохирург высшей квалификационной категории

Белоруссия, Минск

А. Н. Мазуренко

Республиканский научно-практический центр травматологии и ортопедии

Email: mazurenko@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7092-2615

канд. мед. наук, заведующий нейрохирургическим отделением №2

Белоруссия, Минск

Д. Г. Алексеев

ФГБОУ ВО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России

Email: D.G.Alekseev@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4185-0709

канд. мед. наук, доцент, ведущий научный сотрудник НИИ «БиоТех»

Россия, Самара

Список литературы

  1. Kosmacheva SM, Danilkovich NN, Shchepen AV, et al. Effect of platelet release on osteogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells. Bull Exp Biol Med. 2014;156(4):560-5. DOI: https://doi.org/10.1007/s10517-014-2396-1
  2. Deev RV, Isaev AA, Kochish AYu, Tikhilov RM. Pathways for the development of cell technologies in bone surgery. Traumatology and orthopedics in Russia. 2008;47(1):65-75. (In Russ.). [Деев Р.В., Исаев А.А., Кочиш А.Ю., Тихилов P.M. Пути развития клеточных технологий в костной хирургии. Травматология и ортопедия в России. 2008;47(1):65-75]. URL: file:///C:/Users/Persona/Downloads/puti-razvitiya-kletochnyh-tehnologiy-v-kostnoy-hirurgii.pdf
  3. Szpalski C, Sagebin F, Barbaro M, Warren SM. The influence of environmental factors on bone tissue engineering. Tissue Engineering Part B. 2012;18(4):258-269. DOI: https://doi.org/10.1002/jbm.b.32849
  4. Wang W, Yeung KWK. Bone graft substitutes for bone defect repair: a review. Bioactive Materials. 2017;2:224-247. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2017.05.007
  5. Polo-Corrales L, Latorre-Esteves M, Ramirez-Vick J. Scaffold design for bone regeneration. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2014;14(1):15-56. DOI: https://doi.org/10.1166/jnn.2014.9127
  6. Makarevich S, Mazurenko A, Krivorot K, et al. The use of autologous mesenchymal stem cells for the purpose of spinal fusion. Science and innovation. 2019;11:79-84. (In Russ.). [Макаревич С., Мазуренко А., Криворот К. Применение аутологичных мезенхимальных стволовых клеток с целью спондилодеза. Наука и инновации. 2019;11:79-84]. DOI: https://doi.org/10.29235/1818-9857-2019-11-79-84
  7. Lagenbach F, Handschel J. Effects of dexamethasone, ascorbic acid and ß-glycerophosphate on the osteogenic differentiation of stem cells in vitro. Stem Cell Res Therapy. 2013;4(5):117. DOI: https://doi.org/10.1186/scrt328
  8. Hutchings G, Moncrieff L, Dompe C, et al. Bone regeneration, reconstruction and use of osteogenic cells; from basic knowledge, animal models to clinical trials. J Clin Med. 2020;9(1):139. DOI: https://doi.org/10.3390/jcm9010139
  9. Steinert AF, Rackwitz L, Gilbert F, et al. The clinical application of mesenchymal stem cells for muskuloskeletal regeneration: current status and perspectives. Stem Cells Trans Med. 2012;1(3):237-247. DOI: https://doi.org/10.5966/sctm.2011-0036
  10. Correia C, Grayson WL, Park M, et al. In vitro model of vascularized bone: synergizing vascular development and osteogenesis. PLOS One. 2011;6(12):e28352. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0028352
  11. Filippi M, Born G, Chaaban M, Scherberich A. Natural polymeric scaffolds in bone regeneration. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020;8:1-28. DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00474
  12. Ripamonti, U. Induction of bone formation by recombinant human osteogenic protein-1 and sintered porous hydroxyapatite in adult primate. Plastic &Reconstructive Surgery. 2001;107:977-988. DOI: https://doi.org/10.1097/00006534-200104010-00012
  13. Zhukova Y, Hiepen Ch, Knaus P, et al. The role of titanium surface nanostructuring on preosteoblast morphology, adhesion, and migration. Advanced Healthcare Materials. 2017;6(15):1-13. DOI: https://doi.org/10.1002/adhm.201601244
  14. Garg T, Singh O, Arora S, Murthy R. Scaffold: a novel carrier for cell and drug delivery. Critical Review in Therapeutic Drug Carrier Systems. 2012;29(1):1-63. DOI: https://doi.org/10.1615/CritRevTherDrugCarrierSyst.v29.i1.10
  15. Seeherman H, Wozney J, Lee R. Bone morphogenetic protein delivery systems. Spine. 2002;27:16-23. DOI: https://doi.org/10.1097/00007632-200208151-00005
  16. Polo-Corrales L, Latorre-Esteves M, Ramirez-Vick J. Scaffold design for bone regeneration. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2014;14(1):15-56. DOI: https://doi.org/10.1166/jnn.2014.9127
  17. Oliveira JF, Aguiar PF, Rossi AM, Soares GA. Effect of process parameters on the characteristics of porous calcium phosphate ceramics for bone tissue scaffolds. Artificial Organs 2003;27:406-411. DOI: https://doi.org/10.1046/j.1525-1594.2003.07247.x
  18. Kruyt MC, Gaalen SM, Oner FC, et al. Bone tissue engineering and spinal fusion: the potential of hybrid constructs by combining osteoprogenitor cells and scaffolds. Biomaterials. 2004;25:1463-1473. DOI: https://doi.org/10.1016/s0142-9612(03)00490-3
  19. Neman J, Hambrecht A, Cadry C, Jandal R. Stem cell-mediated osteogenesis: therapeutic potential for bone tissue engineering. Biologics: Targets and Therapy. 2012;6:47-57. DOI: https://doi.org/10.2147/BTT.S22407
  20. Kitoh H, Kitakoji T, Tsuchiya H, et al. Transplantation of culture expanded bone marrow cells and platelet rich plasma in distraction osteogenesis of the long bones. Bone. 2007;40(2):522-528. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bone.2006.09.019
  21. Tsiklin LI, Pugachev EI, Kolsanov AV, et al. Biopolymer material from human spongiosa for regenerative medicine application. Polymers. 2022;14(5):941-953. DOI: https://doi.org/10.3390/polym14050941
  22. Kim HN, Jiao A, Hwang AS, et al. Nanotopography-guided tissue engineering and regenerative medicine. Advanced Drug Delivery Reviews 2013;65;536-558. DOI: https://doi.org/10.1016/j.addr.2012.07.014
  23. Thurairajah K, Broadhead LM, Balogh ZJ. Trauma and stem cells: biology and potential therapeutic Implications. International Journal of Molecular Science. 2017;18:577-595. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms18030577
  24. Armiento AR, Hatt PhL, Rosenberg GS, et al. Functional biomaterials for bone regeneration: a lesson in complex biology. Advanced Functional Materials. 2020;30(44):1-41. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.201909874
  25. Paladini F, Pollini M. Novel approaches and biomaterials for bone tissue engineering: a focus on silk fibroin. Materials. 2022;15(19):1-22. DOI: https://doi.org/10.3390/ma15196952
  26. Potapnev MP, Arabey AA, Kondratenko GG, et al. A soluble platelet-derived growth factors and regenerative medicine. Healthcare. 2014;9:32-40. (In Russ.). [Потапнев М.П., Арабей A.A., Кондратенко Г.Г., и др. Растворимые факторы тромбоцитов и регенеративная медицина. Здравоохранение. 2014;9:32-40].
  27. Marx RE, Carlson ER, Eichstaedt RM, et al. Platelet-rich plasma: Growth factor enhancement for bone grafts. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Oral Endod. 1998;85 (6):538-46. DOI: https://doi.org/10.1016/S1079-2104(98)90029-4
  28. Laquinta MR, Mazzoni E, Manfrini M, et al. Innovative biomaterials for bone regrowth. Int J Mol Sci. 2019;20(3):618. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms20030618
  29. Kotelnikov GP, Kolsanov AV, Volova LT, et al. Technology of manufacturing of personalized reconstructive allogenic bone graft. Pirogov Russian Journal of Surgery. 2019;3:65-72. [Котельников Г.П., Колсанов А.В., Волова Л.Т., и др. Технология производства персонифицированного реконструктивного аллогенного костного имплантата. Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 2019;(3):65 72]. DOI: https://doi.org/10.17116/hirurgia201903165
  30. Tsiklin IL, Shabunin AV, Kolsanov AV, Volova LT. In Vivo Bone Tissue Engineering Strategies: Advances and Prospects. Polymers. 2022;14(15):3222. DOI: https://doi.org/10.3390/polym14153222
  31. World Health Organization. Blood Transfusion Safety Team. (2001). The Clinical use of blood: handbook.
  32. Available online: https://apps.who.int/iris/handle/10665/42396 (accessed on 25 August 2023).
  33. Pierce J, Benedetti E, Preslar A, et al. Comparative analyses of industrial-scale human platelet lysate preparations. Transfusion. 2017;57(12):2858-2869. DOI: https://doi.org/10.1111/trf.14324
  34. Shakhbazov AV, Goncharova NV, Kosmacheva SM, et al. Plasticity of human mesenchymal stem cell phenotype and expression profile under neurogenic conditions. Bulletin of Experimental Biology and Medicine (Cell Technologies in Biology and Medicine). 2009;147(4):513-516. DOI: https://doi.org/10.1007/s10517-009-0547-6
  35. Chen X, Huang J, Wu J. Human mesenchymal stem cells. Cell Proliferation. 2022;55:1-11. DOI: https://doi.org/10.1111/cpr.13141
  36. Schendzielorz P, Froelich K, Rak K, et al. Labeling adipose-derived stem cells with Hoechst 33342: usability and effects on differentiation potential and DNA damage. Stem Cells Int. 2016;2016:6549347. DOI: https://doi.org/10.1155/2016/6549347
  37. Danilkovich NN, Derkachev VS, Kosmacheva SM, Potapnev MP. Application of bone-marrow mesenchymal stem cells and platelet-derived growth factors for human osteogenic graft engineering, 5th International conference on Tissue engineering and Regenerative Medicine, Berlin, Germany, 12-14 September, 2016:155. DOI: https://doi.org/10.4172/2157-7552.C1.025
  38. Santos VH, Hubbe Pfeifer JP, Souza BJ, et al. Culture of mesenchymal stem cells derived from equine synovial membrane in alginate hydrogel microcapsules. BMS Veterinary Research. 2018;14(1):1-10. DOI: https://doi.org/10.1186/s12917-018-1425-0
  39. Chevallier N, Anagnostou F, Zilber S, et al. Osteoblastic differentiation of human mesenchymal stem cells with platelet lysate. Biomaterials. 2010;31:270-278. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2009.09.043
  40. Kuvyrkov EV, Severin IN, Belyasova NA. Osteogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells. News of the National Academy of Sciences of Belarus. 2015;2:89-91. [Кувырков Е.В., Северин И.Н., Белясова Н.А. Остеогенная дифференцировка мезенхимальных стволовых клеток костного мозга человека. Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. 2015;2:89-91]. URL: file:///C:/Users/Persona/Downloads/255-253-1-PB.pdf
  41. Szustak M, Gendaszewska-Darmach E. Extracellular nucleotides selectively induce migration of chondrocytes and expression of type II Collagen. Int J Mol Sci. 2020;21(15):5227. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms21155227
  42. Zhang D, Yi C, Qi S, Yao X. Yang. M. Effects of Carbon Nanotubes on the Proliferation and Differentiation of Primary Osteoblasts. Methods in Molecular Biology. 2010;625:41-53. DOI: https://doi.org/10.1007/978-1-60761-579-8_5
  43. Meesuk L, Suwanprateeb J, Thammarakcharoen F, et al. Osteogenic differentiation and proliferation potentials of human bone marrow and umbilical cord-derived mesenchymal stem cells on the 3D-printed hydroxyapatite scaffolds. Scientific Reports. 2022;12;1-19. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24160-2
  44. Janicki P, Boeuf S, Steck E, et al. Prediction of in vivo bone forming potency of bone marrow-derived human mesenchymal stem cells. European Cells and Materials. 2011;21:488-507. DOI: https://doi.org/10.22203/ecm.v021a37
  45. Yoon Y, Khan IU, Choi KU, et al. Different bone healing effects of undifferentiated and osteogenic differentiated mesenchymal stromal cell sheets in canine radial fracture model. Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 2018;15(1):115-124. DOI: https://doi.org/10.1007/s13770-017-0092-8
  46. Kuk M, Kim Y, Lee SH, et al. Osteogenic ability of canine adipose-derived mesenchymal stromal cell sheets in relation to culture time. Cell Transplantation. 2015;25(7):1415-1422.
  47. DOI: https://doi.org/10.3727/096368915X689532
  48. Szpalski C, Barbaro M, Sagebin F, Warren SM. Bone Tissue Engineering: Current Strategies and Techniques – Part II: Cell Types. Tissue Engineering Part B: Reviews. 2012;14(4):258-269. DOI: https://doi.org/10.1089/ten.teb.2011.0440
  49. Zheng J, Xie Y, Yoshitomi T, et al. Stepwise Proliferation and Chondrogenic Differentiation of Mesenchymal Stem Cells in Collagen Sponges under different Microenvironments. International Journal of Molecular Science. 2022;23(12):6406. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms23126406
  50. Kasten P, Vogel J, Beyen I, et al. Effect of plate-let-rich plasma on the in vitro proliferation and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells on distinct calcium phosphate scaffolds: the specific surface area makes a difference. Journal of Biomaterials Applications. 2008;23(2):169-188. DOI: https://doi.org/10.1177/0885328207088269
  51. Kocaoemer A, Kern S, Kluter H, Bieback K. Human AB serum and thrombin-activated platelet-rich plasma are suitable alternatives to fetal calf serum for the expansion of mesenchymal stem cells from adipose tissue. Stem Cells. 2007;25:1270-1278. DOI: https://doi.org/101634/stemcells.2006-0627
  52. Borzini P, Mazzucco L. Tissue regeneration and in loco administration of platelet derivatives: clinical outcome, heterogeneous products, and heterogeneity of the effector mechanisms. Transfusion. 2005;45:1759-1767. DOI: https://doi.org/10.1111/j.1537-2995.2005.00600.x

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рисунок 1. Прижизненное окрашивание ядер КМ-МСК человека Hoechst 33342 после 24 часов культивирования с различными носителями: (a) ППС (контроль); (б) Остеоматрикс; (в) ЛКМ; (г) Коллапан; (д) Лиостипт. Изображение увеличено в х100.

Скачать (261KB)
Метаданные
3. Рисунок 2. Пролиферативная активность различных концентраций КМ-МСК на биоорганическом носителе «Лиостипт» в течение 7 суток культивирования in vitro.

Скачать (230KB)
Метаданные
4. Рисунок 3. Экспрессия мРНК остеогенных генов: (а, г) RunX, (б, д) ALP, (в, е) OSP после 4 (верхний ряд) и 7 (нижний ряд) суток культивирования КМ-МСК. Данные представлены как M ± SEM.

Скачать (1MB)
Метаданные
5. Рисунок 4. Окрашивание фон Косса КМ-МСК человека: (a) клетки, культивированные в ППС; (б) – клетки, культивированные в ОС; (в) – клетки, культивированные в ОС с добавлением 5% алПОРФТ. Изображения сделаны при 100-кратном увеличении.

Скачать (1MB)
Метаданные
6. Рисунок 5. Совместное культивирование компонентов трансплантата in vitro: (а) 1 неделя, (б) 3 неделя. Изображения сделаны при 50-кратном увеличении.

Скачать (174KB)
Метаданные
7. Рисунок 6. Прижизненное окрашивание красителем Hoechst 33342 остеогенно предифференцированных КМ-МСК при моделировании трансплантата in vitro. Изображения сделаны при 100-кратном увеличении: а) одна неделя, б) две недели, в) три недели.

Скачать (1MB)
Метаданные

© Данилкович Н.Н., Космачева С.М., Ионова А.Г., Криворот К.А., Мазуренко А.Н., Алексеев Д.Г., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».