Сверхкритический диоксид углерода как метод снижения цитотоксичности биополимерных и тканеспецифических скаффолдов для тканевой инженерии

Цель. Исследовать эффективность сверхкритического диоксида углерода (ск-СО2) для снижения цитотоксичности биополимерных скаффолдов из биодеградируемых материалов и тканеспецифических скаффолдов из децеллюляризованных фрагментов печени свиньи (ФПс) или мелкодисперсных частиц хряща свиньи (МДЧХс).

Материалы и методы. Биополимерные скаффолды из композиции сополимера поли(оксибутирата-со-оксивалерата) и желатина, диаметром 4 мм и длиной 80 мм формировали методом электроспиннинга (NANON-01A, MECC CO, Япония) и стабилизировали в парах глутарового альдегида в течение 48 ч при комнатной температуре. Для децеллюляризации ФПс и МДЧХс инкубировали при периодическом перемешивании в буферных (рН = 7,4) растворах додецилсульфата натрия (0,1%) и Triton Х-100 с повышающейся концентрацией (1, 2 и 3%). Обработку в атмосфере ск-СО2 проводили при давлении 150–300 бар, температуре 35 °С, скорости потока ск-СО2 0,25–2,5 мл/мин в течение 8–24 ч. В качестве модификатора полярности применяли этанол в концентрации 10%. Цитотоксичность оценивали согласно межгосударственному стандарту ГОСТ ISO 10993-5-2011. Исследование пролиферации фибробластов мыши линии NIH/3T3 в присутствии образцов проводили с применением интерактивной оптической системы IncuCyte Zoom.

Результаты. Исследовано влияние скорости потока и давления ск-СО2, а также добавление этанола на снижение цитотоксичности скаффолдов. Установлено, что обработка при низкой скорости потока ск-СО2 (0,25 мл/мин) не приводит к требуемым значениям цитотоксичности. Полного отсутствия цитотоксичности биополимерных скаффолдов удается достичь в присутствии 10% этанола, при скорости потока ск-СО₂ 2,5 мл/мин, давлении 300 бар, температуре 35 °С после 8 ч обработки. Эффективное удаление цитотоксичных детергентов из децеллюляризованной печени происходит уже при давлении 150 бар и не требует применения этанола. Добавление этанола к ск-СО₂ позволяет устранить не только цитотоксическое, но и цитостатическое действие тканеспецифических скаффолдов.

Заключение. Обработка ск-СО₂ является эффективным способом снижения цитотоксичности трехмерных пористых матриксов, получаемых с применением цитотоксических веществ: бифункциональных сшивающих агентов для биополимерных скаффолдов и поверхностно-активных веществ в случае тканеспецифических матриксов. Добавление этанола в качестве модификатора полярности позволяет повысить эффективность обработки за счет устранения как цитотоксического, так и цитостатического эффекта.

1. Сургученко ВА. Матриксы для тканевой инженерии и гибридных органов. Биосовместимые материалы: учебное пособие / Под ред. В.И. Севастьянова, М.П. Кирпичникова. М.: МИА, 2011. Часть II: 199– 228.

2. Sevastianov VI, Basok YB, Grigor’ev AM, Kirsanova LA, Vasilets VN. Formation of tissue-engineered construct of human cartilage tissue in a flow-through bioreactor. Bull Exp Biol Med. 2017; 164 (2): 269–273. doi: 10.1007/s10517-017-3971-z.

3. Goissis G, Suzigan S, Parreira DR, Maniglia JV, Braile DM, Raymundo S. Preparation and characterization of collagen-elastin matrices from blood vessels intended as small diameter vascular grafts. Artif Organs. 2000; 24: 217–223. doi: 10.1046/j.1525-1594.2000.06537.x. PMID: 10759645.

4. Busra MFM, Lokanathan Y. Recent development in the fabrication of collagen scaffolds for tissue engineering applications: A review. Curr Pharm Biotechnol. 2019; 20 (12): 992–1003. doi: 10.2174/1389201020666190731121016. PMID: 31364511.

5. Oryan A, Kamali A, Moshiri A, Baharvand H, Daemi H. Chemical crosslinking of biopolymeric scaffolds: Current knowledge and future directions of crosslinked engineered bone scaffolds. Int J Biol Macromol. 2018; 107 (Pt A): 678–688. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2017.08.184.

6. Kawecki M, Łabuś W, Klama-Baryla A, Kitala D, Kraut M, Glik J et al. A review of decellurization methods caused by an urgent need for quality control of cell-free extracellular matrix’ scaffolds and their role in regenerative medicine. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2018; 106 (2): 909–923. doi: 10.1002/jbm.b.33865. PMID: 28194860.

7. Rose JB, Pacelli S, Haj AJE, Dua HS, Hopkinson A, White LJ et al. Gelatin-based materials in ocular tissue engineering. Materials (Basel). 2014; 7 (4): 3106–3135. doi: 10.3390/ma7043106. PMID: 28788609.

8. Nemets EA, Pankina AP, Sevastianov VI. Comparative analysis of methods for increasing of biostability of collagen films. Inorganic Materials: Applied Research. 2017; 5: 718–722.

9. Umashankar PR, Arun T, Kumari TV. Short duration gluteraldehyde cross linking of decellularized bovine pericardium improves biological response. J Biomed Mater Res. 2011; 97 (3): 311–320. doi: 10.1002/jbm.a.33061. PMID: 21448995.

10. Gattazzo F, Urciuolo A, Bonaldo P. Extracellular matrix: a dynamic microenvironment for stem cell niche. Biochim Biophys Acta. 2014; 1840 (8): 2506–2519. doi: 10.1016/j.bbagen.2014.01.010. PMID: 24418517.

11. Sun Y, Wang TL, Toh WS, Pei M. The role of laminins in cartilaginous tissues: from development to regeneration. Eur Cell Mater. 2017; 34: 40–54. doi: 10.22203/eCM.v034a0.

12. Shirakigawa N, Ijima H. Decellularized tissue engineering. Advanced Structured Materials. 2017; 66: 185– 226. doi: 10.1007/978-981-10-3328-5_5.

13. Crapo PM, Gilbert TW, Badylak SF. An overview of tissue and whole organ decellularization processes. Biomaterials. 2011; 32 (12): 3233–3243. doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.01.057. PMID: 21296410.

14. Gilpin A, Yang Y. Decellularization strategies for regenerative medicine: From processing techniques to applications. Biomed Res Int. 2017; 2017: 9831534. doi: 10.1155/2017/9831534. PMID: 28540307.

15. Готье СВ, Севастьянов ВИ, Шагидулин МЮ, Немец ЕА, Басок ЮБ. Тканеспецифический матрикс для тканевой инженерии паренхиматозного органа и способ его получения. Патент на изобретение RU 2693432 C2, 02.07.2019.

16. Kawasaki T, Kirita Y, Kami D, Kitani T, Ozaki C, Itakura Y et al. Novel detergent for whole organ tissue engineering. J Biomed Mater Res A. 2015; 103 (10): 3364– 3373. doi: 10.1002/jbm.a.35474. PMID: 25850947.

17. Song C, Luo Y, Liu Y, Li S, Xi Z, Zhao L et al. Fabrication of PCL scaffolds by supercritical CO2 foaming based on the combined effects of rheological and crystallization properties. Polymers (Basel). 2020; 12 (4): 780. doi: 10.3390/polym12040780. PMID: 32252222.

18. Немец ЕА, Белов ВЮ, Ильина ТС, Сургученко ВА, Панкина АП, Севастьянов ВИ. Композитный пористый трубчатый биополимерный матрикс малого диаметра. Перспективные материалы. 2018; 9: 49– 59. doi: 10.30791/1028-978X-2018-9-49-59.

19. White LJ, Hutter V, Tai H, Howdle SM, Shakesheff KM. The effect of processing variables on morphological and mechanical properties of supercritical CO2 foamed scaffolds for tissue engineering. Acta Biomater. 2012; 8 (1): 61–71. doi: 10.1016/j.actbio.2011.07.032. PMID: 21855663.

20. Antons J, Marascio MG, Aeberhard P, Weissenberger G, Hirt-Burri N, Applegate LA et al. Decellularised tissues obtained by a CO2-philic detergent and supercritical CO2. Eur Cell Mater. 2018, 36: 81–95. doi: 10.22203/eCM.v036a07. PMID: 30178445.

21. Casali DM, Handleton RM, Shazly T, Matthews MA. A novel supercritical CO2-based decellularization method for maintaining scaffold hydration and mechanical properties. J Supercrit Fluids. 2018; 131: 72–81. doi: 10.1016/j.supflu.2017.07.021.

22. Huang YH, Tseng FW, Chang WH, Peng IC, Hsieh DJ, Wu SW et al. Preparation of acellular scaffold for corneal tissue engineering by supercritical carbon dioxide extraction technology. Acta Biomater. 2017; 58: 238–243. doi: 10.1016/j.actbio.2017.05.060. PMID: 28579539.

23. Gil-Ramírez A, Rosmark O, Spégel P, Swärd K, Westergren-Thorsson G, Larsson-Callerfelt AK et al. Pressurized carbon dioxide as a potential tool for decellularization of pulmonary arteries for transplant purposes. Sci Rep. 2020; 10 (1): 4031. doi: 10.1038/s41598-020-60827-4. PMID: 32132596.

24. Разгонова МП, Захаренко АМ, Сергиевич АА, Каленик ТК, Голохваст КС. Сверхкритические флюиды: теория, этапы становления, современное применение: учебное пособие. СПб.: Лань, 2019. 192 с.

25. Алексеев ЕС, Алентьев АЮ, Белова АС, Богдан ВИ и др. Сверхкритические флюиды в химии. Успехи химии. 2020; 89: 1337–1427. doi: 10.1070/RCR4932.

26. Попов ВК. Имплантаты в заместительной и регенеративной медицине костных тканей. Биосовместимые материалы (учебное пособие). Под ред. В.И. Севастьянова, М.П. Кирпичникова. М.: МИА, 2011. Часть II: 271–294.

27. Ingrosso F, Ruiz-López MF. Modeling Solvation in Supercritical CO2. Chemphyschem. 2017; 18: 2560–2572. doi: 10.1002/cphc.201700434.

28. Seo Y, Jung Y, Kim SH. Decellularized heart ECM hydrogel using supercritical carbon dioxide for improved angiogenesis. Acta Biomater. 2018; 67: 270–281. doi: 10.1016/j.actbio.2017.11.046. PMID: 29223704.

29. ГОСТ ISO 10993-5-2011 «Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 5. Исследования на цитотоксичность: методы in vitro».

30. Sun Y, Yan L, Chen S, Pei M. Functionality of decellularized matrix in cartilage regeneration: A comparison of tissue versus cell sources. Acta Biomater. 2018; 74: 56–73. doi: 10.1016/j.actbio.2018.04.048. PMID: 29702288.