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 Federation10.15825/1995-1191-2016-2-99-109vtio-644Research ArticleРегенеративная медицина и клеточные технологииRegenerative Medicine and Cell TechnologiesБИОМЕХАНИЧЕСКОЕ РЕМОДЕЛИРОВАНИЕ БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ СОСУДИСТЫХ ГРАФТОВ МАЛОГО ДИАМЕТРА IN SITUBIOMECHANICAL REMODELING OF BIODEGRADABLE SMALL-DIAMETER VASCULAR GRAFTS IN SITUГлушковаТ. В.GlushkovaT. V.

Для корреспонденции: Глушкова Татьяна Владимировна. Адрес: 650002, г. Кемерово, Сосновый бульвар, д. 6. Тел. (3842) 64-46-50. E-mail: bio.tvg@mail.ru

For correspondence: Glushkova Tatyana Vladimirovna. Address: 6, Sosnoviy blvd, Kemerovo, 650002, Russian Federation. Tel. (3842) 64-46-50. E-mail: bio.tvg@mail.ru

bio.tvg@mail.ruСевостьяноваВ. В.SevostyanovaV. V.АнтоноваЛ. В.AntonovaL. V.КлышниковК. Ю.KlyshnikovK. Yu.ОвчаренкоЕ. А.OvcharenkoE. A.СергееваЕ. А.SergeevaE. A.ВасюковГ. Ю.VasyukovG. Yu.СейфалианА. М.SeifalianA. M.БарбарашЛ. С.BarbarashL. S.Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний, КемеровоРоссияResearch Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases, KemerovoRussian FederationCentre for Nanotechnology & Regenerative Medicine, UCL Division of Surgery & Interventional Science, University College London (UCL), London and NanoRegMed Ltd, LondonВеликобританияCentre for Nanotechnology & Regenerative Medicine, UCL Dvision of Surgery & Interventional Science, University College London (UCL) and NanoRegMed Ltd, LondonUnited Kingdom20162606201618299109Copyright © Глушкова Т.В., Севостьянова В.В., Антонова Л.В., Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Сергеева Е.А., Васюков Г.Ю., Сейфалиан А.М., Барбараш Л.С., 20162016Глушкова Т.В., Севостьянова В.В., Антонова Л.В., Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Сергеева Е.А., Васюков Г.Ю., Сейфалиан А.М., Барбараш Л.С.Glushkova T.V., Sevostyanova V.V., Antonova L.V., Klyshnikov K.Y., Ovcharenko E.A., Sergeeva E.A., Vasyukov G.Y., Seifalian A.M., Barbarash L.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.transpl.ru/vtio/article/view/644Цель исследования

Цель исследования: изучить процессы биомеханического ремоделирования полимерных графтов, модифицированных сосудистым эндотелиальным фактором роста (VEGF), после имплантации в брюшную аорту крыс. 

Материалы и методы

Материалы и методы. Сосудистые графты диаметром 2 мм изготавливали из поликапролактона (PCL) и смеси полигидроксибутирата/валерата (PHBV) и поликапролактона методом электроспиннинга. Модификацию графтов молекулами VEGF осуществляли двухфазным электроспиннингом. Морфологию изготовленных графтов оценивали методом сканирующей электронной микроскопии. Физико-механические свойства PCL и PHBV/PCL оценивали по результатам одноосного растяжения и исследования комплаентности. Для PCL/VEGF- и PHBV/PCL/VEGF-графтов проводили физико-механические испытания до и после имплантации в брюшную аорту крыс на срок 6 месяцев. Моделирование работы модифицированных графтов осуществляли методом конечных элементов в случае аортокоронарного шунтирования (АКШ).

Результаты

Результаты. PCL- и PHBV/PCL-графты по прочности не уступали внутренней грудной артерии человека, но обладали большей жесткостью и способностью к растяжению, а также по вязкоэластическим свойствам были приближены к нативным сосудам. Модификация графтов VEGF спообствовала снижению жесткости материалов. После 6 месяцев имплантации PCL/VEGF- и PHBV/PCL/ VEGF-графты интегрировались с тканями аорты, что способствовало изменению физико-механических свойств графтов в соответствии со свойствами нативного сосуда. Биомеханическое моделирование подтвердило возможность функционирования модифицированных графтов в позиции шунта при АКШ.

Заключение

Заключение. PCL/VEGF- и PHBV/PCL/VEGF-графты обладают удовлетворительными физико-механическими свойствами и потенциально пригодны для использования при реконструкции кровеносных сосудов.

Aim

Aim: to evaluate the biomechanical remodeling of polymer grafts modified with vascular endothelial growth factor (VEGF) after implantation into rat abdominal aorta.

Materials and methods

Materials and methods. Vascular grafts of2 mmdiameter were fabricated by electrospinning from polycaprolactone (PCL) and a mixture of poly (3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) and PCL. The grafts were modified with VEGF by biphasic electrospinning. Morphology of the grafts was assessed by scanning electron microscopy. Physico-mechanical properties of PCL and PHBV/PCL grafts were estimated using uniaxial tensile test and physiological circulating system equipped with state-of-theart ultrasound vascular wall tracking system. Physico-mechanical testing of PCL/VEGF and PHBV/PCL/VEGF was performed before and after implantation into rat abdominal aorta for 6 months. The modeling of coronary artery bypass grafting (CABG) was performed by finite element analysis for modified grafts.

Results

Results. Durability of PCL and PHBV/PCL grafts did not differ from that of human internal mammary artery; however, elasticity and stiffness of these grafts were higher compared to internal mammary artery. Viscoelastic properties of the grafts were comparable to those of native blood vessels. Modification of the grafts with VEGF reduced material stiffness. Six months postimplantation, PCL/VEGF and PHBV/PCL/VEGF were integrated with aortic tissue that induced changes in the physico-mechanical properties of the grafts similar to the native vessel. Biomechanical modeling confirmed the functioning of modified grafts in bypass position for CABG.

Conclusion

Conclusion. PCL/VEGF and PHBV/PCL/VEGF grafts have satisfactory physico-mechanical properties and can be potentially used in the reconstruction of blood vessels. 

поликапролактонполигидроксибутират/валератсосудистый эндотелиальный фактор ростасосудистый графтэлектроспиннингpolycaprolactonepolyhydroxybutyrate/valeratevascular endothelial growth factorvascular graftelectrospinningReferencesRoth GA, Forouzanfar MH, Moran AE, Barber R, Nguyen G, Feigin VL et al. Demographic and epidemiologic drivers of global cardiovascular mortality. N Engl J Med. 2015; 372: 1333–1341. DOI: 10.1056/NEJMoa1406656.Roth GA, Forouzanfar MH, Moran AE, Barber R, Nguyen G, Feigin VL et al. Demographic and epidemiologic drivers of global cardiovascular mortality. N Engl J Med. 2015; 372: 1333–1341. DOI: 10.1056/NEJMoa1406656.Desai M, Seifalian AM, Hamilton G. Role of prosthetic conduits in coronary artery bypass grafting. Eur Cardiothorac Surg. 2011; 40 (2): 394–398. DOI: 10.1016/j. ejcts.2010.11.050Desai M, Seifalian AM, Hamilton G. Role of prosthetic conduits in coronary artery bypass grafting. Eur Cardiothorac Surg. 2011; 40 (2): 394–398. DOI: 10.1016/j. ejcts.2010.11.050Li S, Sengupta D, Chien S. Vascular tissue engineering: from in vitro to in situ. WIREs Systems Biology and Medicine. 2014; 6 (1): 61–76. DOI: 10.1002/wsbm.1246.Li S, Sengupta D, Chien S. Vascular tissue engineering: from in vitro to in situ. WIREs Systems Biology and Medicine. 2014; 6 (1): 61–76. DOI: 10.1002/wsbm.1246.Rocco KA, Maxfield MW, Best CA, Dean EW, Breuer CK. In vivo applications of electrospun tissue-engineered vascular grafts: a review. Tissue Eng Part B Rev. 2014; 20 (6): 628–640. DOI: 10.1089/ten.TEB.2014.0123.Rocco KA, Maxfield MW, Best CA, Dean EW, Breuer CK. In vivo applications of electrospun tissue-engineered vascular grafts: a review. Tissue Eng Part B Rev. 2014; 20 (6): 628–640. DOI: 10.1089/ten.TEB.2014.0123.Антонова ЛВ, Севостьянова ВВ, Сейфалиан АМ, Матвеева ВГ, Великанова ЕА, Сергеева ЕА и др. Сравнительное тестирование in vitro биодеградируемых сосудистых имплантов для оценки перспективы использования в тканевой инженерии. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2015; 4: 34–41. DOI: 10.17802/2306-1278-2015-4-34-41. Antonova LV, Sevostyanova VV, Seifalian AM, Matveeva VG, Velikanova EA, Sergeeva EA. Comparative in vitro testing of biodegradable vascular grafts for tissue engineering applications. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2015; 4: 34–41. DOI: 10.17802/23061278-2015-4-34-41 [In Russ, English abstract].Антонова ЛВ, Севостьянова ВВ, Сейфалиан АМ, Матвеева ВГ, Великанова ЕА, Сергеева ЕА и др. Сравнительное тестирование in vitro биодеградируемых сосудистых имплантов для оценки перспективы использования в тканевой инженерии. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2015; 4: 34–41. DOI: 10.17802/2306-1278-2015-4-34-41. Antonova LV, Sevostyanova VV, Seifalian AM, Matveeva VG, Velikanova EA, Sergeeva EA. Comparative in vitro testing of biodegradable vascular grafts for tissue engineering applications. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2015; 4: 34–41. DOI: 10.17802/23061278-2015-4-34-41 [In Russ, English abstract].Melchiorri AJ, Hibino N, Fisher JP. Strategies and techniques to enhance the in situ endothelialization of smalldiameter biodegradable polymeric vascular grafts. Tissue Eng Part B Rev. 2013; 19 (4): 292–307. DOI: 10.1089/ ten.TEB.2012.0577.Melchiorri AJ, Hibino N, Fisher JP. Strategies and techniques to enhance the in situ endothelialization of smalldiameter biodegradable polymeric vascular grafts. Tissue Eng Part B Rev. 2013; 19 (4): 292–307. DOI: 10.1089/ ten.TEB.2012.0577.Севостьянова ВВ, Головкин АС, Антонова ЛВ, Глушкова ТВ, Барбараш ОЛ, Барбараш ЛС. Модификация матриксов из поликапролактона сосудистым эндотелиальным фактором роста для потенциального применения в разработке тканеинженерных сосудистых графтов. Гены & Клетки. 2015; X (1): 91–97. Sevostyanova VV, Golovkin AS, Antonova LV, Glushkova TV, Barbarash OL, Barbarash LS. Modification of polycaprolactone scaffolds with vascular endothelial growth factors for potential application in development of tissue engineered vascular grafts. Genes & Cells. 2015; X (1): 91–97 [In Russ, English abstract].Севостьянова ВВ, Головкин АС, Антонова ЛВ, Глушкова ТВ, Барбараш ОЛ, Барбараш ЛС. Модификация матриксов из поликапролактона сосудистым эндотелиальным фактором роста для потенциального применения в разработке тканеинженерных сосудистых графтов. Гены & Клетки. 2015; X (1): 91–97. Sevostyanova VV, Golovkin AS, Antonova LV, Glushkova TV, Barbarash OL, Barbarash LS. Modification of polycaprolactone scaffolds with vascular endothelial growth factors for potential application in development of tissue engineered vascular grafts. Genes & Cells. 2015; X (1): 91–97 [In Russ, English abstract].Montini-Ballarin F, Calvo D, Caracciolo PC, Rojo F, Frontini PM, Abraham GA et al. Mechanical behavior of bilayered small-diameter nanofibrous structures as biomimetic vascular grafts. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016; 60: 220–233. DOI:10.1016/j.jmbbm.2016.01.025.Montini-Ballarin F, Calvo D, Caracciolo PC, Rojo F, Frontini PM, Abraham GA et al. Mechanical behavior of bilayered small-diameter nanofibrous structures as biomimetic vascular grafts. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2016; 60: 220–233. DOI:10.1016/j.jmbbm.2016.01.025.Catto V, Farè S, Cattaneo I, Figliuzzi M, Alessandrino A, Freddi G et al. Small diameter electrospun silk fibroin vascular grafts: Mechanical properties, in vitro biodegradability, and in vivo biocompatibility. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2015; 54: 101–111. DOI: 10.1016/j. msec.2015.05.003.Catto V, Farè S, Cattaneo I, Figliuzzi M, Alessandrino A, Freddi G et al. Small diameter electrospun silk fibroin vascular grafts: Mechanical properties, in vitro biodegradability, and in vivo biocompatibility. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2015; 54: 101–111. DOI: 10.1016/j. msec.2015.05.003.Овчаренко ЕА, Клышников КЮ, Глушкова ТВ, Бураго АЮ, Журавлева ИЮ. Нелинейная изотропная модель корня аорты человека. Технологии живых систем. 2014; 6: 43–47. Ovcharenko EA, Klyshnikov KU, Glushkova TV, Burago AY, Zhuravleva IY. Nelinejnaja izotropnaja model’ kornja aorty cheloveka. Technologii zhivyh sistem. 2014; 6: 43–47 [In Russ, English abstract].Овчаренко ЕА, Клышников КЮ, Глушкова ТВ, Бураго АЮ, Журавлева ИЮ. Нелинейная изотропная модель корня аорты человека. Технологии живых систем. 2014; 6: 43–47. Ovcharenko EA, Klyshnikov KU, Glushkova TV, Burago AY, Zhuravleva IY. Nelinejnaja izotropnaja model’ kornja aorty cheloveka. Technologii zhivyh sistem. 2014; 6: 43–47 [In Russ, English abstract].Claes E, Atienza JM, Guinea GV, Rojo FJ, Bernal JM, Revuelta JM et al. Mechanical properties of human coronary arteries. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2010; 2010: 3792–3795. DOI: 10.1109/IEMBS.2010.5627560. PubMed PMID: 21096878.Claes E, Atienza JM, Guinea GV, Rojo FJ, Bernal JM, Revuelta JM et al. Mechanical properties of human coronary arteries. Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. 2010; 2010: 3792–3795. DOI: 10.1109/IEMBS.2010.5627560. PubMed PMID: 21096878.Singh C, Wong CS, Wang X. Medical Textiles as Vascular Implants and Their Success to Mimic Natural Arteries. J. Funct. Biomater. 2015; 6 (3): 500–525. DOI:10.3390/ jfb6030500.Singh C, Wong CS, Wang X. Medical Textiles as Vascular Implants and Their Success to Mimic Natural Arteries. J. Funct. Biomater. 2015; 6 (3): 500–525. DOI:10.3390/ jfb6030500.Tiwari A, Cheng KS, Salacinski H, Hamilton G, Seifalian AM. Improving the patency of vascular bypass grafts: the role of suture materials and surgical techniques on reducing anastomotic compliance mismatch. Eur J Vasc Endovasc Surg. 2003; 25 (4): 287–295. PMID: 12651165.Tiwari A, Cheng KS, Salacinski H, Hamilton G, Seifalian AM. Improving the patency of vascular bypass grafts: the role of suture materials and surgical techniques on reducing anastomotic compliance mismatch. Eur J Vasc Endovasc Surg. 2003; 25 (4): 287–295. PMID: 12651165.Ovcharenko EA, Klyshnikov KU, Yuzhalin AE, Savrasov GV, Kokov AN, Batranin AV et al. Modeling of transcatheter aortic valve replacement: Patient specific vs general approaches based on finite element analysis. Computers in Biology and Medicine. 2016; 69: 29–36. DOI: 10.1016/j.compbiomed.2015.12.001.Ovcharenko EA, Klyshnikov KU, Yuzhalin AE, Savrasov GV, Kokov AN, Batranin AV et al. Modeling of transcatheter aortic valve replacement: Patient specific vs general approaches based on finite element analysis. Computers in Biology and Medicine. 2016; 69: 29–36. DOI: 10.1016/j.compbiomed.2015.12.001.

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