Индукция остеогенеза при применении остеопластического материала «БАК-1000» в комбинации с 3D-культурой мезенхимальных стволовых клеток
Переломы представляют собой наиболее частые травматические повреждения костей скелета [1]. По современным представлениям, в основе механизмов регенерации костной ткани лежат как генетические, так и эпигенетические факторы. Ведущую роль в регенеративных механизмах играют такие субстраты, как костный морфогенетический белок (BMP), фактор роста фибробластов (FGF), инсулиноподобный фактор роста (IGF), тромбоцитарный фактор роста (PDGF), β-трансформирующий фактор роста (TGF-β) и фактор роста эндотелия сосудов (VEGF) [2]. Эти факторы обычно депонированы в экстрацеллюлярном матриксе, клетках и α-гранулах тромбоцитов и высвобождаются после травматизации [3].
«Сосудистая модель» репаративной регенерации устанавливает связь с возможными вариантами регенерации кости в зависимости от подвижности отломков, которая может вызывать нарушение неоваскуляризации. В этом случае происходит образование аваскулярной ткани,
Основным требованием к остеопластическим биоматериалам является их биосовместимость, выражающаяся в способности сосуществовать в контакте с живой тканью при закрытии костных дефектов либо для восстановления функций утраченного органа или ткани, без явлений отторжения и нарушения процессов клеточной дифференцировки, с оценкой воспалительных реакций, мутагенных эффектов и канцерогенного действия имплантированных материалов [5].
Аутокость считается «золотым стандартом» остеотрансплантологии: она содержит в своем составе остеоиндуктивные субстраты, иммунологически безопасна и не вызывает иммунного ответа со стороны организма. Однако ее применение сопряжено с дополнительной травмой на этапе забора материала из источника (из подвздошной кости, ребра и др.) и лимитировано объемом реципиентного ложа [6]. Нередко также затруднено формирование трансплантатов сложной конфигурации.
Применение аллогенных и ксеногенных костных трансплантатов обычно приводит к возникновению иммунного конфликта и развитию воспалительных реакций отторжения [7, 8]. Все перечисленное наряду с появлением новых технических возможностей заставляет
В контексте остеорепарации керамика обладает рядом преимуществ по сравнению с другими материалами: высокие точка плавления, прочность, химическая стабильность, а также низкая плотность [9, 10]. Современная биокерамика относится к керамическим материалам, используемым в медицинской практике, что связано с ее биосовместимостью, трибологическими свойствами, высокой химической стабильностью (выше, чем у металлов) и остеокондуктивностью [11, 12].
Особый интерес в процессе создания синтетических заменителей кости представляют
Разработки новых видов кальцийсодержащей керамики для заполнения костных дефектов (в том числе после удаления зубов и/или для сохранения альвеолярного гребня) особенно интенсифицировались, увеличивается количество посвященных им публикаций [13, 16]. Большинство применяемых на сегодняшний день керамических материалов должно обладать рядом свойств, таких как биосовместимость, остеокондуктивность, остеоиндуктивность, остеоинтеграция и высокие механические свойства [17]. Кроме того, остеогенное воздействие керамики на ткани в области имплантации стимулирует пролиферацию и дифференцировку [18]. Обычно материалы на основе керамики (гидроксиапатит, трикальцийфосфат) используют для заполнения дефектов костной ткани и покрытия имплантатов с целью улучшения процесса интеграции при контакте с костной тканью реципиента с формированием промежуточного слоя карбонатного гидроксиапатита [19].
Несмотря на то что синтетический гидроксиапатит демонстрирует многообещающие результаты в качестве основы при создании биоинженерных моделей для остеорегенерации костных дефектов, он
Недавно некоторыми отечественными авторами были представлены результаты имплантации сложной биоконструкции на основе биокомпозитной
Таким образом, проблема остеопластических материалов на сегодняшний день остается одной из центральных, требующих комплексного подхода и проведения исследований на различных уровнях организации живых систем при участии специалистов разных областей.
Синтетический материал «БАК-1000»
В нашей стране также проводилась активная разработка новых остеопластических материалов. В частности, был разработан и разрешен к широкому применению в хирургической ортопедии имплантационный материал
Мезенхимальные стволовые клетки
В последнее десятилетие постепенно увеличивается количество исследований в области тканевой инженерии с разработкой материалов, обогащенных мезенхимальными стволовыми клетками (МСК). Так, стволовые клетки являются ключевыми клеточными элементами костнорепаративного процесса на всех его этапах [4, 26, 27]. К сегодняшнему дню опубликовано большое количество работ с доказанной высокой эффективностью МСК как фактора индукции регенерации и неоангиогенеза костной ткани [28, 29].
Кроме того, МСК способны к синтезу большого количества биологически активных веществ, выполняя следующие функции: остеогенную дифференциацию (TGFβ,
В последнее время активно исследуется возможность применения аутологичных МСК в тканевой инженерии в составе биокомпозитов (например, в сочетании с остеокондуктивным каркасом) с целью стимуляции ангиогенеза, пролиферации/дифференцировки, а также потенцирования остеоинтеграции [31]. Такие МСК представляли собой популяцию негематопоэтических мультипотентных клеток костномозгового происхождения, обладающих способностью к размножению и дифференцировке in vitro в клетки остеогенного фенотипа.
Позднее исследователями была разработана двумерная культура клеток на плоской поверхности, до сих пор применяемая в некоторых регенеративных и фундаментальных работах с применением стволовых клеток [30]. Однако
По сравнению с
Таким образом, интересными представляются исследования с использованием комбинаций из апатитосиликатного носителя и МСК. Полученные ранее данные засвидетельствовали перспективность такого комплекса, а возможность его применения открывает новое направление для будущих экспериментов.
Результаты
Наше исследование было проведено на самцах крыс породы
На
На
Заключение
Таким образом, по данным специализированной литературы в совокупности с полученными нами данными, техника устранения дефекта кости при помощи
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Фидаров Асланбек Феликсович (Aslanbek F. Fidarov) – аспирант кафедры
Орлов Андрей Алексеевич (Andrey A. Orlov) – доктор медицинских наук, главный научный сотрудник лаборатории клеточных технологий, ФГБНУ «НИИОПП»; профессор кафедры
Сабурина Ирина Николаевна (Irina N. Saburina) – доктор биологических наук, заведующий лабораторией клеточной биологии, ФГБНУ «НИИОПП», Москва, Российская Федерация
Литература
- GBD 2019 Fracture Collaborators. Global, regional, and national burden of bone fractures in 204 countries and territories, 1990–2019: a systematic analysis from the Global Burden of Disease Study 2019 // Lancet Healthy Longev. 2021. Vol. 2, N 9. P.
e580-e592 . DOI: https://doi.org/10.1016/S2666-7568 (21)00172–0 - Salhotra A., Shah H.N., Levi B. et al. Mechanisms of bone development and repair // Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2020. Vol. 21. P. 696–711. DOI: https://doi.org/10.1038/s41580-
020-00279-w - Papachristou D.J., Georgopoulos S., Giannoudis P.V, Panagiotopoulos E. Insights into the cellular and molecular mechanisms that govern the
fracture-healing process: a narrative review // J. Clin. Med. 2021. Vol. 10, N 16. P. 3554. DOI: https://doi.org/10.3390/jcm10163554 Epub 2021 Aug 12. - Simunovic F., Finkenzeller G. Vascularization strategies in bone tissue engineering // Cells. 2021. Vol. 10, N 7. P. 1749. DOI: https://doi.org/10.3390/cells10071749 Epub 2021 Jul 11.
- Marcondes G.M., Paretsis N.F., Fülber J.,
Navas-Su árez P.E., Mori C.M.C., Plepis A.M.G. et al. Evaluation of the biocompatibility and osteoconduction of the carbon nanotube, chitosan and hydroxyapatite nanocomposite with or without mesenchymal stem cells as a scaffold for bone regeneration in rats // Osteology. 2021. Vol. 1, N 3. P. 118–131. DOI: https://doi.org/10.3390/osteology1030013 - Janjua O.S., Qureshi S.M., Shaikh M.S. et al. Autogenous tooth bone grafts for repair and regeneration of maxillofacial defects: a narrative review // Int. J. Environ. Res. Public Health. 2022. Vol. 19, N 6. P. 3690. DOI: https://doi.org/10.3390/ijerph19063690 Epub 2022 Mar 20.
- Kloss F.R., Offermanns
v. , Kloss-Brandst ätter A. Comparison of allogeneic and autogenous bone grafts for augmentation of alveolar ridge defects – a12-month retrospective radiographic evaluation // Clin. Oral Implants Res. 2018. Vol. 29, N 11. P. 1163–1175. DOI: https://doi.org/10.1111/clr.13380 - Rodriguez A.E., Nowzari H. The
long-term risks and complications ofbovine-derived xenografts: a case series // J. Indian Soc. Periodontol. 2019. Vol. 23, N 5. P. 487–492. DOI: https://doi.org/10.4103/jisp.jisp_656_18 - Ginebra M.P., Espanol M., Maazouz Y., Bergez
v. , Pastorino D. Bioceramics and bone healing // EFORT Open Rev. 2018. Vol. 3, N 5. P. 173–183. DOI: https://doi.org/10.1302/2058–5241.3.170056 Epub2018 May 21. - Choi S.R., Kwon J.W, Suk K.S., Kim H.S., Moon S.H., Park S.Y. et al. The clinical use of osteobiologic and metallic biomaterials in orthopedic surgery: the present and the future // Materials (Basel). 2023. Vol. 16, N 10. P. 3633. DOI: https://doi.org/10.3390/ma16103633
- Vaiani L., Boccaccio A., Uva A.E. et al. Ceramic materials for biomedical applications: an overview on properties and fabrication processes // J. Funct. Biomater. 2023. Vol. 14, N 3. P. 146. DOI: https://doi.org/10.3390/jfb14030146 Epub 2023 Mar 4.
- Moshiri A., Tekyieh Maroof N., Mohammad Sharifi A. Role of organic and ceramic biomaterials on bone healing and regeneration: an experimental study with significant value in translational tissue engineering and regenerative medicine // Iran. J. Basic Med. Sci. 2020. Vol. 23, N 11. P. 1426–1438. DOI: https://doi.org/10.22038/ijbms.2020.46228.10707
- Jeong J., Kim J.H., Shim J.H. et al. Bioactive calcium phosphate materials and applications in bone regeneration // Biomater. Res. 2019. Vol. 23. P. 4. DOI: https://doi.org/10.1186/s40824-
018-0149-3 - Tavoni M., Dapporto M., Tampieri A., Sprio S. Bioactive calcium
phosphate-based composites for bone regeneration // J. Compos. Sci. 2021. Vol. 5, N 9. P. 227. DOI: https://doi.org/10.3390/jcs5090227 - Vlad M.D., Gómez S., Barracó M., López J., Fernández E. Effect of the calcium to phosphorus ratio on the setting properties of calcium phosphate bone cements // J. Mater. Sci. Mater. Med. 2012. Vol. 23, N 9. P. 2081–2090. DOI: https://doi.org/10.1007/s10856-
012-4686-3 - Meyer F., Amaechi B.T., Fabritius H.O., Enax J. Overview of calcium phosphates used in biomimetic oral care // Open Dent. J. 2018. Vol. 12. P. 406–423. DOI: https://doi.org/10.2174/1874210601812010406 Epub 2018 May 31.
- Cao Z., Bian Y., Hu T., Yang Y., Cui Z., Wang T. et al. Recent advances in
two-dimensional nanomaterials for bone tissue engineering // J. Mater. 2023. Vol. 9. P. 930–958. - Hossain M.S., Uddin M.N., Sarkar S., Ahmed S. Crystallographic dependency of waste cow bone, hydroxyapatite, and β-tricalcium phosphate for biomedical application // J. Saudi Chem. Soc. 2022. Vol. 26. Article ID 101559.
- Umrath F., Schmitt L.-F., Kliesch S.-M., Schille C.,
Geis-Gerstorfer J., Gurewitsch E. et al. Mechanical and functional improvement of β-TCP scaffolds for use in bone tissue engineering // J. Funct. Biomater. 2023. Vol. 14. P. 427. DOI: https://doi.org/10.3390/jfb14080427 - Nisar A., Iqbal S., Atiq Ur Rehman M., Mahmood A., Younas M., Hussain S.Z. et al. Study of
physico-mechanical and electrical properties of cerium doped hydroxyapatite for biomedical applications // Mater. Chem. Phys. 2023. Vol. 299. Article ID 127511. - Gu M., Li W., Jiang L., Li X. Recent progress of rare earth doped hydroxyapatite nanoparticles: luminescence properties, synthesis and biomedical applications // Acta Biomater. 2022. Vol. 148. P. 22–43.
- Karunakaran G., Cho E.-B., Kumar G.S., Kolesnikov E., Govindaraj S.K., Mariyappan K. et al. CTAB enabled
microwave-hydrothermal assisted mesoporousZn-doped hydroxyapatite nanorods synthesis usingbio-waste Nodipecten nodosus scallop for biomedical implant applications // Environ. Res. 2023. Vol. 216. Article ID 114683. - Papynov E.K., Shichalin O.O., Belov A.A., Buravlev I.Y., Mayorov
v. Y., Fedorets A.N. et al.CaSiO3-HAp metal-reinforced biocomposite ceramics for bone tissue engineering // J. Funct. Biomater. 2023. Vol. 14. P. 259. DOI: https://doi.org/10.3390/jfb14050259 - Radulescu D.-E., Vasile O.R., Andronescu E., Ficai A. Latest research of doped hydroxyapatite for bone tissue engineering // Int. J. Mol. Sci. 2023. Vol. 24. Article ID 13157. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms241713157
- Никитин А.А., Косяков М.Н., Белецкий Б.И. и соавт. Применение композиционного апатитсиликатного материала
БАК-1000 // Российский стоматологический журнал. 2002. № 5. С. 34–37. - Niu Y., Chen L., Wu T. Recent advances in bioengineering bone revascularization based on composite materials comprising hydroxyapatite // Int. J. Mol. Sci. 2023. Vol. 24. Article ID 12492. DOI: https://doi.org/10.3390/ ijms241512492
- Gillman C.E., Jayasuriya
A. C. FDA -approved bone grafts and bone graft substitute devices in bone regeneration // Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl. 2021. Vol. 130. Article ID 112466. Ho-Shui-Ling A., Bolander J., Rustom L.E., Johnson A.W., Luyten F.P., Picart C. Bone regeneration strategies: engineered scaffolds, bioactive molecules and stem cells current stage and future perspectives // Biomaterials. 2018. Vol. 180. P. 143–162.- Battafarano G., Rossi M., De Martino
v. , Marampon F., Borro L., Secinaro A. et al. Strategies for bone regeneration: from graft to tissue engineering // Int. J. Mol. Sci. 2021. Vol. 22. P. 1128. - Bicer M., Cottrell G.S., Widera D. Impact of 3D cell culture on bone regeneration potential of mesenchymal stromal cells // Stem Cell Res. Ther. 2021. Vol. 12, N 1. P. 31. DOI: https://doi.org/10.1186/s13287-
020-02094-8 - Bertolai R., Catelani C., Aversa A., Rossi A., Giannini D., Bani D. (2015). Bone graft and mesenchimal stem cells: clinical observations and histological analysis // Clin. Cases Miner. Bone Metab. 2015. Vol. 12, N 2. P. 183–187. DOI: https://doi.org/10.11138/ccmbm/2
015.12.2.183 - Bara J.J., Richards R.G., Alini M., Stoddart
M. J. Concise review: bonemarrow-derived mesenchymal stem cells change phenotype following in vitro culture: implications for basic research and the clinic // Stem Cells. 2014. Vol. 32, N 7. P. 1713–1723. Redondo-Castro E., Cunningham C.J., Miller J., Brown H., Allan S.M., Pinteaux E. Changes in the secretome oftri-dimensional spheroid-cultured human mesenchymal stem cells in vitro byinterleukin-1 priming // Stem Cell Res. Ther. 2018. Vol. 9, N 1. P. 11.- Ho S.S., Murphy K.C., Binder B.Y., Vissers C.B., Leach
J. K. Increased survival and function of mesenchymal stem cell spheroids entrapped in instructive alginate hydrogels // Stem Cells Transl. Med. 2016. Vol. 5, N 6. P. 773–781. - McNeill E.P., Zeitouni S., Pan S. et al. Characterization of a pluripotent stem
cell-derived matrix with powerful osteoregenerative capabilities // Nat. Commun. 2020. Vol. 11, N 1. P. 3025. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-16646-2 - Fu T., Liang P., Song J. et al. Matrigel scaffolding enhances
BMP9-induced bone formation in dental follicle stem/precursor cells // Int. J. Med. Sci. 2019. Vol. 16, N 4. P. 567–575. DOI: https://doi.org/10.7150/ijms.30801 Epub 2019 Apr 25. - Sheard J.J., Bicer M., Meng Y. et al. Optically transparent anionic nanofibrillar cellulose is cytocompatible with human adipose
tissue-derived stem cells and allows simple imaging in 3D // Stem Cells Int. 2019. Vol. 2019. Article ID 3106929. DOI: https://doi.org/10.1155/2019/3106929 Epub 2019 Oct 7. - Yu L., Wu Y., Liu J., Li B., Ma B., Li Y. et al. 3D culture of bone
marrow-derived mesenchymal stem cells (BMSCs) could improve bone regeneration in3D-printed porous Ti6Al4V scaffolds // Stem Cells Int. 2018. Vol. 2018. Article ID 2074021.