vtioВестник трансплантологии и искусственных органовRussian Journal of Transplantology and Artificial Organs1995-1191Academician V.I.Shumakov National Medical Research Center of Transplantology and Artificial Organs", Ministry of Health of the Russian Federation10.15825/1995-1191-2026-3-218-230vtio-2152Research ArticleЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯEXPERIMENTAL RESEARCHОценка эффективности поверхностного модифицирования катионным амфифилом нетканых матриксов различного полимерного состава: результаты тестирования in vitroEvaluation of the efficiency of surface modification of nonwoven matrices with various polymer compositions using a cationic amphiphile: in vitro studyhttps://orcid.org/0000-0002-8874-0788АнтоноваЛ. В.AntonovaL. V.

Антонова Лариса Валерьевна - ведущий научный сотрудник лаборатории клеточных технологий, д.м.н.

650002, Кемерово, бульвар Академика Л.С. Барбараша, д. 6. Тел. (999) 648-50-41

Larisa Antonova

6, Bul’var Barbarasha, Kemerovo, 650002, Phone: (999) 648-50-41

antonova.la@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7100-8953СильниковВ. Н.SilnikovV. N.

Владимир Николаевич Сильников - заведующий лабораторией органического синтеза, д.х.н.

Новосибирск

Novosibirsk

v.silnikov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8826-9244ХановаЮ. М.KhanovaM. Yu.

Ханова Марьям Юрисовна - научный сотрудник лаборатории клеточных технологий, к.б.н.

Кемерово

Kemerovo

khanovam@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2500-2147КривкинаЕ. О.KrivkinaE. O.

Евгения Олеговна Кривкина - младший научный сотрудник лаборатории клеточных технологий.

Кемерово

Kemerovo

krivkina.evgeniya@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1991-6516ПрокудинаЕ. С.ProkudinaE. S.

Екатерина Сергеевна Прокудина - старший научный сотрудник лаборатории тканевой инженерии и внутрисосудистой визуализации, к.м.н.

Кемерово

Kemerovo

goddess27@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0003-9323-8893КоломеецМ. С.KolomeetsM. S.

Марина Сергеевна Коломеец - младший научный сотрудник лаборатории клеточных технологий

Кемерово

Kemerovo

marina.iakowlewa2010@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6840-1116КошелевВ. А.KoshelevV. A.

Владислав Александрович Кошелев - младший научный сотрудник лаборатории молекулярной, трансляционной и цифровой медицины

Кемерово

Kemerovo

koshelev.vlad00@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0005-0683-991XТоргунаковаЕ. А.TorgunakovaE. A.

Евгения Александровна Торгунакова - младший научный сотрудник лаборатории клеточных технологий

Кемерово

Kemerovo

evgeniyatorgunakova@mail.ruЗадворныхД. А.ZadvornykhD. A.

Новосибирск

Novosibirsk

СахароваВ. М.SakharovaV. M.

Вера Михайловна Сахарова - врач-бактериолог клинико-диагностической лаборатории

Кемерово

Kemerovo

sahavm@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9430-937XСенокосоваЕ. А.SenokosovaE. A.

Евгения Андреевна Сенокосова - заведующая лабораторией клеточных технологий, к.б.н.

Кемерово

Kemerovo

sergeewa.ew@yandex.ruФГБНУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний»РоссияResearch Institute for Complex Issues of Cardiovascular DiseasesRussian FederationФГБУН «Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук»РоссияInstitute of Chemical Biology and Fundamental MedicineRussian Federation202607092026283218230Copyright © Антонова Л.В., Сильников В.Н., Ханова Ю.М., Кривкина Е.О., Прокудина Е.С., Коломеец М.С., Кошелев В.А., Торгунакова Е.А., Задворных Д.А., Сахарова В.М., Сенокосова Е.А., 20262026Антонова Л.В., Сильников В.Н., Ханова Ю.М., Кривкина Е.О., Прокудина Е.С., Коломеец М.С., Кошелев В.А., Торгунакова Е.А., Задворных Д.А., Сахарова В.М., Сенокосова Е.А.Antonova L.V., Silnikov V.N., Khanova M.Y., Krivkina E.O., Prokudina E.S., Kolomeets M.S., Koshelev V.A., Torgunakova E.A., Zadvornykh D.A., Sakharova V.M., Senokosova E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.transpl.ru/vtio/article/view/2152

Возможности химического модифицирования поверхности матриксов из различных природных и синтетических полимеров отдельными разновидностями катионных амфифилов изучены недостаточно.

Цель

Цель: оценка биосовместимости и антимикробных свойств матриксов на основе полиуретана и фиброина шелка с присоединенным к поверхности 1,4-дизабицикло[2.2.2]октаном методами сорбции за счет гидрофобных или электростатических взаимодействий.

Материалы и методы

Материалы и методы. Присоединение 1,4-дизабицикло[2.2.2] октана к поверхности нетканых матриксов на основе 8% раствора полиуретана и 5% раствора регенерированного фиброина шелка выполнено посредством сорбции катионного амфифила за счет гидрофобных (вариант «0») и электростатических взаимодействий (варианты 1 и 2). Минимальную подавляющую концентрацию катионного амфифила определяли методом последовательных разведений в 96-луночных планшетах в присутствии штаммов Staphylococcus aureus ATCC 25923, Escherichia coli ATCC 25922, Salmonella enterica ATCC 14028, Citrobacter freundii ATCC 8090, Pseudomonas aeruginosa ATCC 9027. Содержание 1,4-дизабицикло[2.2.2]октана на поверхности матриксов определяли методом ультрафиолетовой спектроскопии по его остаточному содержанию в исходных растворах. Изучены структура поверхности, физико-механические свойства, антимикробная активность и биосовместимость матриксов до и после модифицирования. Полученные данные обработаны в программе GraphPad Prism 8.

Результаты

Результаты. Минимальная подавляющая концентрация 1,4-дизабицикло[2.2.2]октана составила 2–8 мкМ. Использование варианта модифицирования 0 сохраняло структуру поверхности матриксов и физико-механические характеристики. Варианты 1 и 2 улучшали гемосовместимость поверхности матриксов, но делали матриксы жесткими и хрупкими. При всех вариантах модифицирования матриксы имели схожую антибактериальную активность и биосовместимость.

Заключение

Заключение. Модифицирование поверхности матриксов из полиуретана и фиброина шелка катионным амфифилом 1,4-дизабицикло[2.2.2]октаном, осуществляемое посредством сорбции за счет гидрофобных или электростатических взаимодействий, пригодно для придания антибактериальных свойств матриксам.

The potential for chemical modification of the surface of matrices composed of various natural and synthetic polymers using cationic amphiphiles remains insufficiently studied.

Objective

Objective: to evaluate the biocompatibility and antimicrobial properties of polyurethaneand silk fibroin-based matrices modified with 1,4-diazabicyclo[2.2.2] octane (DABCO) attached to the surface via sorption mediated by hydrophobic or electrostatic interactions.

Materials and methods

Materials and methods. Surface modification of non-woven matrices based on an 8% polyurethane solution and a 5% regenerated silk fibroin solution was performed by sorption of DABCO through hydrophobic interactions (variant 0) or electrostatic interactions (variants 1 and 2). The minimum inhibitory concentration (MIC) of the cationic amphiphile was determined using serial dilution in 96-well plates against Staphylococcus aureus ATCC 25923, Escherichia coli ATCC 25922, Salmonella enterica ATCC 14028, Citrobacter freundii ATCC 8090, and Pseudomonas aeruginosa ATCC 9027. The amount of DABCO adsorbed on scaffold surfaces was determined by ultraviolet spectroscopy based on its residual concentration in the initial solutions. Surface structure, physicomechanical properties, antimicrobial activity, and biocompatibility of the scaffolds were assessed before and after modification. The obtained data were processed using GraphPad Prism 8.

Results

Results. The MIC of DABCO ranged from 2 to 8 μM. Modification variant 0 preserved scaffold surface structure and physicomechanical properties. Variants 1 and 2 improved scaffold surface hemocompatibility but made the scaffolds rigid and brittle. All modification variants demonstrated comparable antibacterial activity and biocompatibility.

Conclusion

Conclusion. Surface modification of polyurethane and silk fibroin scaffolds with the cationic amphiphile DABCO via sorption mediated by hydrophobic or electrostatic interactions is suitable for imparting antibacterial properties to scaffolds.

полиуретанфиброин шелкаэлектроспиннингантимикробное покрытиекатионный амфифилpolyurethanesilk fibroinelectrospinningantimicrobial coatingcationic amphiphileReferencesAndersson DI, Hughes D, Kubicek-Sutherland JZ. Mechanisms and consequences of bacterial resistance to antimicrobial peptides. Drug Resist Updat. 2016; 26: 43–57.Andersson DI, Hughes D, Kubicek-Sutherland JZ. Mechanisms and consequences of bacterial resistance to antimicrobial peptides. Drug Resist Updat. 2016; 26: 43–57.Haney EF, Mansour SC, Hancock RE. Antimicrobial Peptides: An Introduction. Methods Mol Biol. 2017; 1548: 3–22. doi: 10.1007/978-1-4939-6737-7_1.Haney EF, Mansour SC, Hancock RE. Antimicrobial Peptides: An Introduction. Methods Mol Biol. 2017; 1548: 3–22. doi: 10.1007/978-1-4939-6737-7_1.Bai PY, Qin SS, Chu WC, Yang Y, Cui DY, Hua YG et al. Synthesis and antibacterial bioactivities of cationic deacetyl linezolid amphiphiles. Eur J Med Chem. 2018; 155: 925–945. doi: 10.1016/j.ejmech.2018.06.054.Bai PY, Qin SS, Chu WC, Yang Y, Cui DY, Hua YG et al. Synthesis and antibacterial bioactivities of cationic deacetyl linezolid amphiphiles. Eur J Med Chem. 2018; 155: 925–945. doi: 10.1016/j.ejmech.2018.06.054.Сильников ВН, Королева ЛС, Кривкина ЕО, Барбараш ЛС. Полимерные материалы с антибактериальной активностью: проблемы выбора низкомолекулярных антибактериальных агентов. Химия в интересах устойчивого развития. 2021; 29: 494–506. doi: 10.15372/KhUR2021326.Silnikov VN, Koroleva LS, Krivkina EO, Barbarash LS. Polymeric materials with antibacterial activity: problems of choosing low molecular weight antibacterial agents. Chemistry for Sustainable Development. 2021; 29: 494–506. doi: 10.15372/KhUR2021326.Fan L, Sun J, Zhou M, Zhou J, Lao X, Zheng H et al. DRAMP: a comprehensive data repository of antimicrobial peptides. Sci Rep. 2016; 6: 24482. doi: 10.1038/srep24482.Fan L, Sun J, Zhou M, Zhou J, Lao X, Zheng H et al. DRAMP: a comprehensive data repository of antimicrobial peptides. Sci Rep. 2016; 6: 24482. doi: 10.1038/srep24482.Kang X, Dong F, Shi C, Liu S, Sun J, Chen J et al. DRAMP 2.0, an updated data repository of antimicrobial peptides. Sci Data. 2019; 6 (1): 148. doi: 10.1038/s41597-019-0154-y.Kang X, Dong F, Shi C, Liu S, Sun J, Chen J et al. DRAMP 2.0, an updated data repository of antimicrobial peptides. Sci Data. 2019; 6 (1): 148. doi: 10.1038/s41597-019-0154-y.Ciumac D, Gong H, Hu X, Lu JR. Membrane targeting cationic antimicrobial peptides. J Colloid Interface Sci. 2019; 537: 163–185. doi: 10.1016/j.jcis.2018.10.103.Ciumac D, Gong H, Hu X, Lu JR. Membrane targeting cationic antimicrobial peptides. J Colloid Interface Sci. 2019; 537: 163–185. doi: 10.1016/j.jcis.2018.10.103.Matsuzaki K. Control of cell selectivity of antimicrobial peptides. Biochim Biophys Acta. 2009; 1788 (8): 1687–1692. doi: 10.1016/j.bbamem.2008.09.013.Matsuzaki K. Control of cell selectivity of antimicrobial peptides. Biochim Biophys Acta. 2009; 1788 (8): 1687–1692. doi: 10.1016/j.bbamem.2008.09.013.Scocchi M, Mardirossian M, Runti G, Benincasa M. Non-Membrane Permeabilizing Modes of Action of Antimicrobial Peptides on Bacteria. Curr Top Med Chem. 2016; 16 (1): 76–88. doi: 10.2174/1568026615666150703121009.Scocchi M, Mardirossian M, Runti G, Benincasa M. Non-Membrane Permeabilizing Modes of Action of Antimicrobial Peptides on Bacteria. Curr Top Med Chem. 2016; 16 (1): 76–88. doi: 10.2174/1568026615666150703121009.Le CF, Fang CM, Sekaran SD. Intracellular Targeting Mechanisms by Antimicrobial Peptides. Antimicrob Agents Chemother. 2017; 61 (4): e02340-16. doi: 10.1128/AAC.02340-16.Le CF, Fang CM, Sekaran SD. Intracellular Targeting Mechanisms by Antimicrobial Peptides. Antimicrob Agents Chemother. 2017; 61 (4): e02340-16. doi: 10.1128/AAC.02340-16.Molchanova N, Hansen PR, Franzyk H. Advances in Development of Antimicrobial Peptidomimetics as Potenti-al Drugs. Molecules. 2017; 22 (9): 1430. doi: 10.3390/molecules22091430.Molchanova N, Hansen PR, Franzyk H. Advances in Development of Antimicrobial Peptidomimetics as Potenti-al Drugs. Molecules. 2017; 22 (9): 1430. doi: 10.3390/molecules22091430.Antonova LV, Krivkina EO, Silnikov VN, Gruzdeva OV, Rezvova MA, Akentieva TN et al. Evaluation of the biocompatibility and antimicrobial properties of biodegradable vascular grafts of various polymer composition with atrombogenic and antimicrobial drug coating. Russian Journal of Transplantology and Artificial Organs. 2021; 23 (2): 122–136. doi: 10.15825/1995-1191-2021-2-122-136.Antonova LV, Krivkina EO, Silnikov VN, Gruzdeva OV, Rezvova MA, Akentieva TN et al. Evaluation of the biocompatibility and antimicrobial properties of biodegradable vascular grafts of various polymer composition with atrombogenic and antimicrobial drug coating. Russian Journal of Transplantology and Artificial Organs. 2021; 23 (2): 122–136. doi: 10.15825/1995-1191-2021-2-122-136.Antonova L, Kutikhin A, Sevostianova V, Lobov A, Repkin E, Krivkina E et al. Controlled and Synchronised Vascular Regeneration upon the Implantation of Iloprostand Cationic Amphiphilic Drugs-Conjugated Tissue-Engineered Vascular Grafts into the Ovine Carotid Artery: A Proteomics-Empowered Study. Polymers (Basel). 2022; 14 (23): 5149. doi: 10.3390/polym14235149.Antonova L, Kutikhin A, Sevostianova V, Lobov A, Repkin E, Krivkina E et al. Controlled and Synchronised Vascular Regeneration upon the Implantation of Iloprostand Cationic Amphiphilic Drugs-Conjugated Tissue-Engineered Vascular Grafts into the Ovine Carotid Artery: A Proteomics-Empowered Study. Polymers (Basel). 2022; 14 (23): 5149. doi: 10.3390/polym14235149.Nikam VS, Punde DS, Bhandari RS. Silk fibroin nanofibers enhance cell adhesion of blood-derived fibroblastlike cells: A potential application for wound healing. Indian J Pharmacol. 2020; 52 (4): 306–312. doi: 10.4103/ijp.IJP_609_19.Nikam VS, Punde DS, Bhandari RS. Silk fibroin nanofibers enhance cell adhesion of blood-derived fibroblastlike cells: A potential application for wound healing. Indian J Pharmacol. 2020; 52 (4): 306–312. doi: 10.4103/ijp.IJP_609_19.Carvalho EO, Rincón-Iglesias М, Brito-Pereira R, Lizundia E, Fernandes MM, Lanceros-Mendez S. Designing antimicrobial biomembranes via clustering aminomodified cellulose nanocrystals on silk fibroin β-sheets. Int J Biol Macromol. 2023; 242 (Pt 3): 125049. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2023.125049.Carvalho EO, Rincón-Iglesias М, Brito-Pereira R, Lizundia E, Fernandes MM, Lanceros-Mendez S. Designing antimicrobial biomembranes via clustering aminomodified cellulose nanocrystals on silk fibroin β-sheets. Int J Biol Macromol. 2023; 242 (Pt 3): 125049. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2023.125049.Macossay J, Sheikh FA, Cantu T, Eubanks TM, Salinaset ME, Farhangi CS et al. Imaging, spectroscopic, mechanical and biocompatibility studies of electrospun Tecoflex® EG 80A nanofibers and composites thereof containing multiwalled carbon nanotubes. Appl Surf Sci. 2014; 321: 205–213. doi: 10.1016/j.apsusc.2014.09.198.Macossay J, Sheikh FA, Cantu T, Eubanks TM, Salinaset ME, Farhangi CS et al. Imaging, spectroscopic, mechanical and biocompatibility studies of electrospun Tecoflex® EG 80A nanofibers and composites thereof containing multiwalled carbon nanotubes. Appl Surf Sci. 2014; 321: 205–213. doi: 10.1016/j.apsusc.2014.09.198.Peng C, Vishwakarma A, Li Z, Miyoshi T, Barton HA, Joy A. Modification of a conventional polyurethane composition provides significant anti-biofilm activity against Escherichia coli. Polym Chem. 2018; 9 (23): 3195–3203. doi: 10.1039/C8PY00492G.Peng C, Vishwakarma A, Li Z, Miyoshi T, Barton HA, Joy A. Modification of a conventional polyurethane composition provides significant anti-biofilm activity against Escherichia coli. Polym Chem. 2018; 9 (23): 3195–3203. doi: 10.1039/C8PY00492G.Сенокосова ЕА, Матвеева ВГ, Прокудина ЕС, Ханова МЮ, Кривкина ЕО, Миронов АВ и др. Тканеинженерный матрикс на основе фиброина шелка для сердечно-сосудистой хирургии. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2024; 13 (4S): 150–158. doi: 10.17802/2306-1278-2024-13-4S-150-158.Senokosova EA, Matveeva VG, Prokudina ES, Khanova MYu, Krivkina EO, Mironov AV et al. Tissue engineered matrix based on silk fibroin for cardiovascular surgery. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2024; 13 (4S): 150–158. (In Russ.). doi: 10.17802/2306-1278-2024-13-4S-150-158.Wei QN, Huang AM, Ma L, Huang ZL, Huang X, Qiang PP et al. Structure regulation of silk fibroin films for controlled drug release. Journal of Applied Polymer Science. 2012; 125 (S2): E234–E241. doi: 10.1002/app.36901.Wei QN, Huang AM, Ma L, Huang ZL, Huang X, Qiang PP et al. Structure regulation of silk fibroin films for controlled drug release. Journal of Applied Polymer Science. 2012; 125 (S2): E234–E241. doi: 10.1002/app.36901.Yarinich LA, Burakova EA, Zakharov BA, Boldyreva EV, Babkina IN, Tikunova NV et al. Synthesis and structureeactivity relationship of novel 1,4-diazabicyclo[2.2.2] octane derivatives as potent antimicrobial agents. Eur J Med Chem. 2015; 95: 563–573. doi: 10.1016/j.ejmech.2015.03.033.Yarinich LA, Burakova EA, Zakharov BA, Boldyreva EV, Babkina IN, Tikunova NV et al. Synthesis and structureeactivity relationship of novel 1,4-diazabicyclo[2.2.2] octane derivatives as potent antimicrobial agents. Eur J Med Chem. 2015; 95: 563–573. doi: 10.1016/j.ejmech.2015.03.033.Grigor’eva AE, Bardasheva AV, Ryabova ES, Tupitsyna AV, Zadvornykh DA, Koroleva LS et al. Changes in the Ultrastructure of Staphylococcus aureus Cells Make It Possible to Identify and Analyze the Injuring Effects of Ciprofloxacin, Polycationic Amphiphile and Their Hybrid. Microorganisms. 2023; 11 (9): 2192. doi: 10.3390/microorganisms11092192.Grigor’eva AE, Bardasheva AV, Ryabova ES, Tupitsyna AV, Zadvornykh DA, Koroleva LS et al. Changes in the Ultrastructure of Staphylococcus aureus Cells Make It Possible to Identify and Analyze the Injuring Effects of Ciprofloxacin, Polycationic Amphiphile and Their Hybrid. Microorganisms. 2023; 11 (9): 2192. doi: 10.3390/microorganisms11092192.Nunes B, Cagide F, Fernandes C, Borges A, Borges F, Simões M. Efficacy of Novel Quaternary Ammonium and Phosphonium Salts Differing in Cation Type and Alkyl Chain Length against Antibiotic-Resistant Staphylococcus aureus. Int J Mol Sci. 2023; 25 (1): 504. doi: 10.3390/ijms25010504.Nunes B, Cagide F, Fernandes C, Borges A, Borges F, Simões M. Efficacy of Novel Quaternary Ammonium and Phosphonium Salts Differing in Cation Type and Alkyl Chain Length against Antibiotic-Resistant Staphylococcus aureus. Int J Mol Sci. 2023; 25 (1): 504. doi: 10.3390/ijms25010504.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.