Биологически активное покрытие для тканеинженерной конструкции кровеносных сосудов малого диаметра

Цель работы: разработка способа модифицирования композитных пористых трубчатых биополимерных каркасов малого диаметра на основе бактериального сополимера поли(3-гидроксибутирата-со-3-гидроксивалерата) и желатина двухслойным биологически-активным покрытием на основе гепарина и лизата тромбоцитов, способствующим адгезии и пролиферации клеточных культур.

Материалы и методы. Композитные пористые трубчатые биополимерные каркасы с внутренним диаметром 4 мм изготавливали методом электроспиннинга из смеси 1 : 2 (по объему) 10% раствора сополимера поли(3-гидроксибутирата-со-3-гидроксивалерата) и 10% раствора желатина соответственно в гексафтор-2-пропаноле. Структуру каркасов стабилизировали парами глутарового альдегида. Каркасы модифицировали биологически-активным покрытием на основе гепарина и лизата тромбоцитов человека. Морфологию поверхности образцов анализировали с применением сканирующей электронной микроскопии. Биологическую безопасность модифицированных каркасов in vitro (гемолиз, цитотоксичность) оценивали согласно ГОСТ ISO 10993. Взаимодействие с культурами эндотелиальных клеток человека линии EA.hy926 и мезенхимальных стромальных клеток из жировой ткани человека исследовали с применением витальных красителей.

Результаты. Разработан способ модифицирования композитных пористых трубчатых биополимерных каркасов малого диаметра, полученных методом электроспиннинга из смеси поли(3-гидроксибутирата-со- 3-гидроксивалерата) и желатина, двухслойным биологически-активным покрытием на основе ковалентно иммобилизованного гепарина и лизата тромбоцитов человека. In vitro доказано отсутствие цитотоксичности и гемолитической активности образцов модифицированных каркасов. Показано, что разработанное покрытие способствует адгезии и пролиферации мезенхимальных стромальных клеток жировой ткани человека на внешней поверхности и эндотелиальных клеток пупочной вены человека линии EA.hy926 на внутренней поверхности композитных пористых трубчатых биополимерных каркасов в условиях in vitro.

Заключение. Полученные результаты позволяют прийти к заключению о возможности использования разработанного покрытия для формирования in vivo тканеинженерной конструкции кровеносных сосудов малого диаметра.

1. Matsuzaki Y, Ulziibayar A, Shoji T, Shinoka T. Heparineluting tissue-engineered bioabsorbable vascular grafts. Appl Sci. 2021; 11: 4563–4575. https://doi.org/10.3390/app11104563.

2. Henry JJD, Yu J, Wang A, Lee R, Fang J, Li S. Engineering the mechanical and biological properties of nanofibrous vascular grafts for in situ vascular tissue engineering. Biofabrication. 2017; 9 (3): 035007. doi: 10.1088/1758-5090/aa834b. PMID: 28817384; PMCID: PMC5847368.

3. Pashneh-Tala S, MacNeil S, Claeyssens F. The Tissue- Engineered Vascular Graft-Past, Present, and Future. Tissue Eng Part B Rev. 2016; 22 (1): 68–100. doi: 10.1089/ten.teb.2015.0100. Epub 2015 Oct 8. PMID: 26447530; PMCID: PMC4753638.

4. Ren X, Feng Y, Guo J, Wang H, Li Q, Yang J et al. Surface modification and endothelialization of biomaterials as potential scaffolds for vascular tissue engineering applications. Chem Soc Rev. 2015; 44 (15): 5680–5742. doi: 10.1039/c4cs00483c. PMID: 26023741.

5. Cai Q, Liao W, Xue F, Wang X, Zhou W, Li Y et al. Selection of different endothelialization modes and different seed cells for tissue-engineered vascular graft. Bioact Mater. 2021; 6 (8): 2557–2568. doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.12.021. PMID: 33665496; PMCID: PMC7887299.

6. Hasan A, Memic A, Annabi N, Hossain M, Paul A, Dokmeci MR et al. Electrospun Scaffolds for Tissue Engineering of Vascular Grafts. Acta Biomater. 2014; 10 (1): 11–25. doi: 10.1016/j.actbio.2013.08.022.

7. Smith RJ, Nasiri B, Kann J, Yergeau D, Bard JE, Swartz DD et al. Endothelialization of arterial vascular grafts by circulating monocytes. Nat Commun. 2020; 11: 1622–1638. https://doi.org/10.1038/s41467-020-15361-2.

8. Neufurth M, Wang X, Tolba E, Dorweiler B, Schröder HC, Link T et al. Modular Small Diameter Vascular Grafts with Bioactive Functionalities. PLoS One. 2015; 10 (7): e0133632. doi: 10.1371/journal.pone.0133632. PMID: 26204529; PMCID: PMC4512703.

9. Matsuzaki Y, John K, Shoji T, Shinoka T. The evolution of tissue engineered vascular graft technologies: from preclinical trials to advancing patient care. Appl Sci (Basel). 2019; 9 (7): 1274–1295. doi: 10.3390/app9071274.

10. Ardila DC, Liou JJ, Maestas D, Slepian MJ, Badowski M, Wagner WR et al. Surface Modification of Electrospun Scaffolds for Endothelialization of Tissue-Engineered Vascular Grafts Using Human Cord Blood-Derived Endothelial Cells. J Clin Med. 2019; 8 (2): 185. doi: 10.3390/jcm8020185. PMID: 30720769; PMCID: PMC6416564.

11. Melchiorri AJ, Hibino N, Fisher JP. Strategies and techniques to enhance the in situ endothelialization of small-diameter biodegradable polymeric vascular grafts. Tissue Eng Part B Rev. 2013; 19 (4): 292–307. doi: 10.1089/ten.TEB.2012.0577. PMID: 23252992; PMCID: PMC3690089.

12. Chen FM, Liu X. Advancing biomaterials of human origin for tissue engineering. Prog Polym Sci. 2016 Feb 1; 53: 86–168. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2015.02.004. PMID: 27022202; PMCID: PMC4808059.

13. Mota C, Puppi D, Chiellini F, Chiellini E. Additive manufacturing techniques for the production of tissue engineering constructs. J Tissue Eng Regen Med. 2015; 9 (3): 174–190. doi: 10.1002/term.1635. PMID: 23172792.

14. Schmedlen RH, Elnjeirami WM, Gobin AS, West JL. Tissue engineered vascular grafts. Tissue engineering: principles and practices. ed. by JP Fisher, AG Mikos, JD Bronzino, DR Peterson. 1st ed. USA: CRC Press Taylor & Francis Group; 2013: 1–9.

15. Mallis P, Kostakis A, Stavropoulos-Giokas C, Michalopoulos E. Future Perspectives in Small-Diameter Vascular Graft Engineering. Bioengineering. 2020; 7 (4): 160–200. https://doi.org/10.3390/bioengineering7040160.

16. Han F, Jia X, Dai D, Yang X, Zhao J, Zhao Y et al. Performance of a multilayered small-diameter vascular scaffold dual-loaded with VEGF and PDGF. Biomaterials. 2013; 34 (30): 7302–7313. doi: 10.1016/j.biomaterials.2013.06.006. PMID: 23830580.

17. Kuwabara F, Narita Y, Yamawaki-Ogata A, Kanie K, Kato R, Satake M et al. Novel small-caliber vascular grafts with trimeric peptide for acceleration of endothelialization. Ann Thorac Surg. 2012; 93 (1): 156–163; doi: 10.1016/j.athoracsur.2011.07.055. PMID: 22054652.

18. Антонова ЛВ, Сильников ВН, Ханова МЮ, Королева ЛС, Серпокрылова ИЮ, Великанова ЕА и др. Оценка адгезии, пролиферации и жизнеспособности эндотелиальных клеток пупочной вены человека, культивируемых на поверхности биодеградируемых нетканых матриксов, модифицированных RGD-пептидами. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2019; 21 (1): 142–152.

19. Smith RJ, Koobatian MT, Shahini A, Swartz DD, Andreadis ST. Capture of endothelial cells under flow using immobilized vascular endothelial growth factor. Biomaterials. 2015 May; 51: 303–312. doi: 10.1016/j.biomaterials.2015.02.025.

20. Wang K, Chen X, Pan Y, Cui Y, Zhou X, Kong D et al. Enhanced vascularization in hybrid PCL/gelatin fibrous scaffolds with sustained release of VEGF. Biomed Res Int. 2015; 2015: 865076. doi: 10.1155/2015/865076. PMID: 25883978; PMCID: PMC4390103.

21. Lee KW, Johnson NR, Gao J, Wang Y. Human progenitor cell recruitment via SDF-1α coacervate-laden PGS vascular grafts. Biomaterials. 2013; 34 (38): 9877–9885. doi: 10.1016/j.biomaterials.2013.08.082. PMID: 24060423; PMCID: PMC3882008.

22. Антонова ЛВ, Севостьянова ВВ, Кутихин АГ, Великанова ЕА, Матвеева ВГ и др. Влияние способа модифицирования трубчатого полимерного матрикса биомолекулами bFGF, SDF-1α и VEGF на процессы формирования in vivo тканеинженерного кровеносного сосуда малого диаметра. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2018; 20 (1): 96–109.

23. Wan X, Li P, Jin X, Su F, Shen J, Yuan J. Poly(ε- caprolactone)/keratin/heparin/VEGF biocomposite mats for vascular tissue engineering. J Biomed Mater Res A. 2020; 108 (2): 292–300. doi: 10.1002/jbm.a.36815. PMID: 31606923.

24. Emechebe GA, Obiweluozor FO, Jeong IS, Park J-K, Park CH et al. Merging 3D printing with electrospun biodegradable small-caliber vascular grafts immobilized with VEGF. Nanomedicine: NBM 2020; 30: 102306, https://doi.org/10.1016/j.nano.2020.102306.

25. Spadaccio C, Nappi F, De Marco F, Sedati P, Sutherland FW, Chello M et al. Preliminary in vivo evaluation of a hybrid armored vascular graft combining electrospinning and additive manufacturing techniques. Drug Target Insights. 2016; 10 (Suppl 1): 1–7. doi: 10.4137/DTI.S35202. PMID: 26949333; PMCID: PMC4772909.

26. Wight TN. Cell biology of arterial proteoglycans. Arteriosclerosis. 1989; 9 (1): 1–20. doi: 10.1161/01.atv.9.1.1. PMID: 2643420.

27. Santos SCNDS, Sigurjonsson ÓE, Custódio CA, Mano JFCDL. Blood plasma derivatives for tissue engineering and regenerative medicine therapies. Tissue Eng Part B Rev. 2018; 24 (6): 454–462. doi: 10.1089/ten.TEB.2018.0008. PMID: 29737237; PMCID: PMC6443031.

28. Giusti I, D’Ascenzo S, Macchiarelli G, Dolo V. In vitro evidence supporting applications of platelet derivatives in regenerative medicine. Blood Transfus. 2020; 18 (2): 117–129. doi: 10.2450/2019.0164-19. PMID: 31657710; PMCID: PMC7141937.

29. Oliveira SM, Pirraco RP, Marques AP, Santo VE, Gomes ME, Reis RL et al. Platelet lysate-based pro-angiogenic nanocoatings. Acta Biomater. 2016; 32: 129–137. doi: 10.1016/j.actbio.2015.12.028. PMID: 26708711.

30. Шанский ЯД, Сергеева НС, Свиридова ИК, Киракозов МС, Кирсанова ВА, Ахмедова СА и др. Исследование лизата тромбоцитов человека как перспективной ростовой добавки для культивирования стволовых и других типов клеток. Клеточные технологии в биологии и медицине. 2013; 3: 153–158.

31. 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.

32. Егорова ВА, Пономарева АС, Богданова НБ, Абрамов ВЮ, Севастьянов ВИ. Характеристика фенотипа мезенхимальных стволовых клеток из жировой ткани человека методом проточной цитометрии. Технологии живых систем. 2009; 6 (5): 40–46.

33. Heydarkhan-Hagvall S, Schenke-Layland K, Yang JQ, Heydarkhan S, Xu Y, Zuk PA et al. Human adipose stem cells: a potential cell source for cardiovascular tissue engineering. Cells Tissues Organs. 2008; 187 (4): 263–274. doi: 10.1159/000113407. PMID: 18196894.

34. Zhang X, Simmons CA, Paul Santerre J. Paracrine signalling from monocytes enables desirable extracellular matrix accumulation and temporally appropriate phenotype of vascular smooth muscle cell-like cells derived from adipose stromal cells. Acta Biomater. 2020; 103: 129–141. doi: 10.1016/j.actbio.2019.12.006. PMID: 31821896.

35. Ciucurel EC, Sefton MV. Del-1 overexpression in endothelial cells increases vascular density in tissueengineered implants containing endothelial cells and adipose-derived mesenchymal stromal cells. Tissue Eng Part A. 2014; 20 (7–8): 1235–1252. doi: 10.1089/ten.TEA.2013.0242. PMID: 24151812; PMCID: PMC3993021.

36. ГОСТ ISO 10993-4-2020 Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 4. Исследования изделий, взаимодействующих с кровью. Дата введения 2021-03-01. М.: Стандартинформ, 2020.

37. ГОСТ ISO 10993-12-2011 Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 12. Приготовление проб и контрольные образцы. Дата введения 2013-01-01. М.: Стандартинформ, 2014. GOST ISO 10993-12-2011

38. ГОСТ ISO 10993-5-2011 Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 5. Исследования на цитотоксичность: методы in vitro. Дата введения 2013-01-01. М.: Стандартинформ, 2014.

39. Rampersad SN. Multiple applications of alamar blue as an indicator of metabolic function and cellular health in cell viability bioassays. Sensors. 2012; 12 (9): 12347–12360. doi: 10.3390/s120912347.

40. Smith RJ Jr, Yi T, Nasiri B, Breuer CK, Andreadis ST. Implantation of VEGF-functionalized cell-free vascular grafts: regenerative and immunological response. FASEB J. 2019; 33 (4): 5089–5100. doi: 10.1096/fj.201801856R. PMID: 30629890; PMCID: PMC6436645.