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 Federation10.15825/1995-1191-2018-1-96-109vtio-860Research ArticleРегенеративная медицина и клеточные технологииRegenerative Medicine and Cell TechnologiesВЛИЯНИЕ СПОСОБА МОДИФИЦИРОВАНИЯ ТРУБЧАТОГО ПОЛИМЕРНОГО МАТРИКСА БИОМОЛЕКУЛАМИ bFGF, SDF-1α И VEGF НА ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ IN VIVO ТКАНЕИНЖЕНЕРНОГО КРОВЕНОСНОГО СОСУДА МАЛОГО ДИАМЕТРАINFLUENCE OF bFGF, SDF-1α, OR VEGF INCORPORATED INTO TUBULAR POLYMER SCAFFOLDS ON THE FORMATION OF SMALL-DIAMETER TISSUE-ENGINEERED BLOOD VESSEL IN VIVOАнтоноваЛ. В.AntonovaL. V.

Антонова Лариса Валерьевна

650002, Кемерово, Сосновый бульвар, 6

Antonova Larisa Valeryevna

6, Sosnovy Boulevard, Kemerovo, 650002

antonova.la@mail.ruСевостьяноваВ. В.SevostyanovaV. V.КутихинА. Г.KutikhinA. G.ВеликановаЕ. А.VelikanovaЕ. A.МатвееваВ. Г.MatveevaV. G.ГлушковаТ. В.GlushkovaT. V.МироновА. В.MironovA. V.КривкинаЕ. О.KrivkinaE. O.БарбарашО. Л.BarbarashO. L.БарбарашЛ. С.BarbarashL. S.ФГБНУ «Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний»РоссияResearch Institute for Complex Issues of Cardiovascular DiseasesRussian Federation20182404201820196109Copyright © Антонова Л.В., Севостьянова В.В., Кутихин А.Г., Великанова Е.А., Матвеева В.Г., Глушкова Т.В., Миронов А.В., Кривкина Е.О., Барбараш О.Л., Барбараш Л.С., 20182018Антонова Л.В., Севостьянова В.В., Кутихин А.Г., Великанова Е.А., Матвеева В.Г., Глушкова Т.В., Миронов А.В., Кривкина Е.О., Барбараш О.Л., Барбараш Л.С.Antonova L.V., Sevostyanova V.V., Kutikhin A.G., Velikanova Е.A., Matveeva V.G., Glushkova T.V., Mironov A.V., Krivkina E.O., Barbarash O.L., Barbarash L.S.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/860

На сегодняшний день тканеинженерные сосудистые протезы малого диаметра являются многообещающей альтернативой аутологичным сосудам для проведения шунтирующих операций и замены поврежденных сосудов. В связи с этим продолжается поиск биологически активных молекул для улучшения эндотелизации трубчатых полимерных матриксов и стимуляции образования гладкомышечного слоя. Ранее нами было продемонстрировано, что инкорпорирование сосудистого эндотелиального фактора роста в трубчатые каркасы, изготовленные методом электроспиннинга из полигидроксибутирата/валерата/поликапролактона, способствовало ускоренному формированию эндотелиального монослоя. Однако существует вероятность того, что необходимо дополнительное поддержание VEGF-опосредованной эндотелизации, а также стимуляция формирования других структур кровеносного сосуда.

Цель – оценить эффект основного фактора роста фибробластов (bFGF) и хемоаттрактантной молекулы SDF-1α в сравнении с одиночным использованием сосудистого эндотелиального фактора роста (VEGF), а также в комбинации с VEGF, инкорпорированных в биодеградируемые сосудистые протезы, на формирование новообразованной сосудистой ткани в зоне локации протезов после их имплантации в брюшную аорту крыс на 3, 6 и 12 месяцев.

Материалы и методы

Материалы и методы. Методом двухфазного электроспиннинга нами были изготовлены 2 вида трубчатых матриксов: с инкорпорированием одного из факторов (GF: VEGF или bFGF или хемоаттрактантная молекула SDF-1α) и каркасы с послойным инкорпорированием трех факторов (VEGF/bFGF/ SDF-1α: во внутреннюю 1/3 стенки графта – VEGF, во внешние 2/3 стенки – bFGF и хемоаттрактантная молекула SDF-1α), с последующей оценкой морфологии, механических свойств и ремоделирования in vivo путем имплантации в брюшную аорту крыс.

Результаты

Результаты. Полимерные трубчатые матриксы с тремя биомолекулами имели 100% первичную проходимость. Послойное инкорпорирование биомолекул улучшало морфологию и механические свойства графтов, способствовало полноценной эндотелизации по сравнению с использованием только сосудистого эндотелиального фактора роста. Кроме того, основной фактор роста фибробластов ускорял формирование гладкомышечного слоя.

Обсуждение

Обсуждение. Полученные результаты показали, что послойное инкорпорирование сосудистого эндотелиального фактора роста, основного фактора роста фибробластов и хемоаттрактантной молекулы SDF-1α в полимерный сосудистый протез обеспечивает его высокую проходимость и улучшает формирование новообразованной сосудистой ткани in situ.

Aim

Aim. To evaluate the potential synergistic effects of basic fi broblast growth factor (bFGF) and stromal cell-derived factor-1α (SDF-1α) complemented with VEGF compared to VEGF alone when being added into poly(3-hydroxybutyrateco-3-hydroxyvalerate) / poly(ε-caprolactone) vascular grafts implanted into rat abdominal aorta for 3, 6, or 12 months.

Materials and methods

Materials and methods. Utilizing emulsion electrospinning, we fabricated one-layer vascular grafts with either VEGF, bFGF, or SDF-1α, and two-layer vascular grafts with VEGF incorporated into the inner layer and bFGF and SDF-1α incorporated into the outer layer following structural evaluation, tensile testing, and in vivo testing using a rat abdominal aorta replacement model.

Results

Results. Grafts containing all three growth factors had a 100% primary patency rate. The combination of bFGF, SDF-1α and VEGF improved morphology and mechanical properties of the grafts. Furthermore, such combination of the bioactive factors promoted endothelialization compared to VEGF alone. In addition, bFGF induced a rapid formation of a SMC layer.

Conclusion

Conclusion. Taking together, these fi ndings show that the incorporation of bFGF and SDF-1α into the vascular grafts in combination with VEGF enhances vascular tissue regeneration and provides a higher primary patency rate.

тканевая инженериябиодеградируемые полимерысосудистый протезсосудистый эндотелиальный фактор ростафактор роста фибробластовстромальный фактор 1 альфаэндотелиальные клеткигладкомышечные клеткиtissue engineeringbiodegradable polymersvascular graftsvascular endothelial growth factorbasic fi broblast growth factorstromal cell-derived factor 1αendothelial cellssmooth muscle cellsReferencesPalumbo VD, Bruno A, Tomasello G, Damiano G, Lo Monte AI. Bioengineered vascular scaffolds: the state of the art. Int. J. Artif. Organs. 2014; 37 (7): 503–512.Palumbo VD, Bruno A, Tomasello G, Damiano G, Lo Monte AI. Bioengineered vascular scaffolds: the state of the art. Int. J. Artif. Organs. 2014; 37 (7): 503–512.Tara S, Rocco KA, Hibino N, Sugiura T, Kurobe H, Breuer CK, Shinoka T. Vessel bioengineering. Circ. J. 2014; 78 (1): 12–19.Tara S, Rocco KA, Hibino N, Sugiura T, Kurobe H, Breuer CK, Shinoka T. Vessel bioengineering. Circ. J. 2014; 78 (1): 12–19.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; Х (1): 84–90.Sevostyanova VV, Golovkin AS, Antonova LV, Glushkova TV, Barbarash OL, Barbarash LS. Modifi cation of polycaprolactone scaffolds with vascular endothelial growth factors for potential application in development of tissue engineered vascular grafts. Genes & Cells. 2015; Х (1): 84–90. [English abstract].Antonova LV, Sevostyanova VV, Kutikhin AG, Mironov AV, Krivkina EO, Shabaev AR et al. Vascular Endothelial Growth Factor Improves Physico-Mechanical Properties and Enhances Endothelialization of Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate)/Poly(εcaprolactone) Small-Diameter Vascular Grafts in vivo. Front. Pharmacol. 2016; 7: 230. doi: 10.3389/fphar.2016.00230.Antonova LV, Sevostyanova VV, Kutikhin AG, Mironov AV, Krivkina EO, Shabaev AR et al. Vascular Endothelial Growth Factor Improves Physico-Mechanical Properties and Enhances Endothelialization of Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate)/Poly(εcaprolactone) Small-Diameter Vascular Grafts in vivo. Front. Pharmacol. 2016; 7: 230. doi: 10.3389/fphar.2016.00230.Antonova LV, Seifalian AM, Kutikhin AG, Sevostyanova VV, Matveeva VG, Velikanova EA et al. Conjugation with RGD Peptides and Incorporation of Vascular Endothelial Growth Factor Are Equally Effi cient for Biofunctionalization of Tissue-Engineered Vascular Grafts. Int. J. Mol. Sci. 2016; 17 (11): 1920. doi:10.3390/ijms17111920.Antonova LV, Seifalian AM, Kutikhin AG, Sevostyanova VV, Matveeva VG, Velikanova EA et al. Conjugation with RGD Peptides and Incorporation of Vascular Endothelial Growth Factor Are Equally Effi cient for Biofunctionalization of Tissue-Engineered Vascular Grafts. Int. J. Mol. Sci. 2016; 17 (11): 1920. doi:10.3390/ijms17111920.Ren X, Feng Y, Guo J, Wang H, Li Q, Yang J et al. Surface modifi cation and endothelialization of biomaterials as potential scaffolds for vascular tissue engineering applications. Chem. Soc. Rev. 2015; 44 (15): 5680–5742.Ren X, Feng Y, Guo J, Wang H, Li Q, Yang J et al. Surface modifi cation and endothelialization of biomaterials as potential scaffolds for vascular tissue engineering applications. Chem. Soc. Rev. 2015; 44 (15): 5680–5742.Azimi-Nezhad M. Vascular endothelial growth factor from embryonic status to cardiovascular pathology. Rep Biochem Mol Biol. 2014; 2 (2): 59–69.Azimi-Nezhad M. Vascular endothelial growth factor from embryonic status to cardiovascular pathology. Rep Biochem Mol Biol. 2014; 2 (2): 59–69.Yang X, Liaw L, Prudovsky I, Brooks PC, Vary C, Oxburgh L, Friesel R. Fibroblast growth factor signaling in the vasculature. Curr. Atheroscler. Rep. 2015; 17 (6): 509.Yang X, Liaw L, Prudovsky I, Brooks PC, Vary C, Oxburgh L, Friesel R. Fibroblast growth factor signaling in the vasculature. Curr. Atheroscler. Rep. 2015; 17 (6): 509.Pike DB, Cai S, Pomraning KR, Firpo MA, Fisher RJ, Shu XZ et al. Heparin-regulated release of growth factors in vitro and angiogenic response in vivo to implanted hyaluronan hydrogels containing VEGF and bFGF. Biomaterials. 2006; 27 (30): 5242–5251.Pike DB, Cai S, Pomraning KR, Firpo MA, Fisher RJ, Shu XZ et al. Heparin-regulated release of growth factors in vitro and angiogenic response in vivo to implanted hyaluronan hydrogels containing VEGF and bFGF. Biomaterials. 2006; 27 (30): 5242–5251.Salcedo R, Oppenheim JJ. Role of chemokines in angiogenesis: CXCL12/SDF-1 and CXCR4 interaction, a key regulator of endothelial cell responses. Microcirculation. 2003; 10 (3–4): 359–370.Salcedo R, Oppenheim JJ. Role of chemokines in angiogenesis: CXCL12/SDF-1 and CXCR4 interaction, a key regulator of endothelial cell responses. Microcirculation. 2003; 10 (3–4): 359–370.Антонова ЛВ, Кривкина ЕО, Сергеева ЕА, Севостьянова ВВ, Бураго АЮ, Бурков НН и др. Тканеинженерный матрикс, модифицированный биологически активными молекулами для направленной регенерации тканей. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2016; (1): 18–25.Antonova LV, Krivkina EO, Sergeeva EA, Sevostyanova VV, Burago AY, Burkov NN i dr. Tissue engineered scaffold modifi ed by bioactive molecules for directed tissue regeneration. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2016; (1): 18–25. [English abstract].Schober A, Zernecke A. Chemokines in vascular remodeling. Thromb. Haemost. 2007; 97 (5): 730–737.Schober A, Zernecke A. Chemokines in vascular remodeling. Thromb. Haemost. 2007; 97 (5): 730–737.Rocco KA, Maxfi eld 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.Rocco KA, Maxfi eld 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.Talacua H, Smits AI, Muylaert DE, van Rijswijk JW, Vink A, Verhaar MC et al. In situ Tissue Engineering of Functional Small-Diameter Blood Vessels by Host Circulating Cells Only. Tissue Eng. Part. A. 2015; 21 (19– 20): 2583–2594.Talacua H, Smits AI, Muylaert DE, van Rijswijk JW, Vink A, Verhaar MC et al. In situ Tissue Engineering of Functional Small-Diameter Blood Vessels by Host Circulating Cells Only. Tissue Eng. Part. A. 2015; 21 (19– 20): 2583–2594.Unger RE, Krump-Konvalinkova V, Peters K, Kirkpatrick CJ. In vitro expression of the endothelial phenotype: comparative study of primary isolated cells and cell lines, including the novel cell line HPMEC-ST1.6R. Microvasc. Res. 2002; 64 (3): 384–397.Unger RE, Krump-Konvalinkova V, Peters K, Kirkpatrick CJ. In vitro expression of the endothelial phenotype: comparative study of primary isolated cells and cell lines, including the novel cell line HPMEC-ST1.6R. Microvasc. Res. 2002; 64 (3): 384–397.Osidak MS, Osidak EO, Akhmanova MA, Domogatsky SP, Domogatskaya AS. Fibrillar, fi bril-associated and basement membrane collagens of the arterial wall: architecture, elasticity and remodeling under stress. Curr. Pharm. Des. 2015; 21 (9): 1124–1133.Osidak MS, Osidak EO, Akhmanova MA, Domogatsky SP, Domogatskaya AS. Fibrillar, fi bril-associated and basement membrane collagens of the arterial wall: architecture, elasticity and remodeling under stress. Curr. Pharm. Des. 2015; 21 (9): 1124–1133.Manon-Jensen T, Kjeld NG, Karsdal MA. Collagenmediated hemostasis. J. Thromb. Haemost. 2016; 14 (3): 438–448.Manon-Jensen T, Kjeld NG, Karsdal MA. Collagenmediated hemostasis. J. Thromb. Haemost. 2016; 14 (3): 438–448.Zheng W, Wang Z, Song L, Zhao Q, Zhang J, Li D et al. Endothelialization and patency of RGD-functionalized vascular grafts in a rabbit carotid artery model. Biomaterials. 2012; 33 (10): 2880–2891.Zheng W, Wang Z, Song L, Zhao Q, Zhang J, Li D et al. Endothelialization and patency of RGD-functionalized vascular grafts in a rabbit carotid artery model. Biomaterials. 2012; 33 (10): 2880–2891.Kurobe H, Maxfi eld MW, Tara S, Rocco KA, Bagi PS, Yi T et al. Development of small diameter nanofi ber tissue engineered arterial grafts. PLoS One. 2015; 10 (4): e0120328.Kurobe H, Maxfi eld MW, Tara S, Rocco KA, Bagi PS, Yi T et al. Development of small diameter nanofi ber tissue engineered arterial grafts. PLoS One. 2015; 10 (4): e0120328.Mirensky TL, Hibino N, Sawh-Martinez RF, Yi T, Villalona G, Shinoka T, Breuer CK. Tissue-engineered vascular grafts: does cell seeding matter? J. Pediatr. Surg. 2010; 45 (6): 1299–1305.Mirensky TL, Hibino N, Sawh-Martinez RF, Yi T, Villalona G, Shinoka T, Breuer CK. Tissue-engineered vascular grafts: does cell seeding matter? J. Pediatr. Surg. 2010; 45 (6): 1299–1305.Ingavle GC, Leach JK. Advancements in electrospinning of polymeric nanofi brous scaffolds for tissue engineering. Tissue Eng. Part. B. Rev. 2014; 20 (4): 277–293.Ingavle GC, Leach JK. Advancements in electrospinning of polymeric nanofi brous scaffolds for tissue engineering. Tissue Eng. Part. B. Rev. 2014; 20 (4): 277–293.Sankaran KK, Subramanian A, Krishnan UM, Sethuraman S. Nanoarchitecture of scaffolds and endothelial cells in engineering small diameter vascular grafts. Biotechnol. J. 2015; 10 (1): 96–108.Sankaran KK, Subramanian A, Krishnan UM, Sethuraman S. Nanoarchitecture of scaffolds and endothelial cells in engineering small diameter vascular grafts. Biotechnol. J. 2015; 10 (1): 96–108.Wei K, Li Y, Mugishima H, Teramoto A, Abe K. Fabrication of core-sheath structured fi bers for model drug release and tissue engineering by emulsion electrospinning. Biotechnol. J. 2012; 7 (5): 677–685.Wei K, Li Y, Mugishima H, Teramoto A, Abe K. Fabrication of core-sheath structured fi bers for model drug release and tissue engineering by emulsion electrospinning. Biotechnol. J. 2012; 7 (5): 677–685.Spano F, Quarta A, Martelli C, Ottobrini L, Rossi RM, Gigli G, Blasi L. Fibrous scaffolds fabricated by emulsion electrospinning: from hosting capacity to in vivo biocompatibility. Nanoscale. 2016; 8 (17): 9293–9303.Spano F, Quarta A, Martelli C, Ottobrini L, Rossi RM, Gigli G, Blasi L. Fibrous scaffolds fabricated by emulsion electrospinning: from hosting capacity to in vivo biocompatibility. Nanoscale. 2016; 8 (17): 9293–9303.Yu J, Wang A, Tang Z, Henry J, Li-Ping Lee B, Zhu Y et al. The effect of stromal cell-derived factor-1α/heparin coating of biodegradable vascular grafts on the recruitment of both endothelial and smooth muscle progenitor cells for accelerated regeneration. Biomaterials. 2012; 33 (32): 8062–8074.Yu J, Wang A, Tang Z, Henry J, Li-Ping Lee B, Zhu Y et al. The effect of stromal cell-derived factor-1α/heparin coating of biodegradable vascular grafts on the recruitment of both endothelial and smooth muscle progenitor cells for accelerated regeneration. Biomaterials. 2012; 33 (32): 8062–8074.Muylaert DE, van Almen GC, Talacua H, Fledderus JO, Kluin J, Hendrikse SI et al. Early in situ cellularization of a supramolecular vascular graft is modifi ed by synthetic stromal cell-derived factor-1α derived peptides. Biomaterials. 2016; (76): 187–195.Muylaert DE, van Almen GC, Talacua H, Fledderus JO, Kluin J, Hendrikse SI et al. Early in situ cellularization of a supramolecular vascular graft is modifi ed by synthetic stromal cell-derived factor-1α derived peptides. Biomaterials. 2016; (76): 187–195.

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