Тканеинженерные сосудистые заплаты – сравнительная характеристика и результаты преклинических испытаний на модели овцы

Проведение каротидной эндартерэктомии с использованием заплаты – наиболее эффективный способ лечения стеноза сонной артерии. Однако применение существующих сосудистых заплат часто ассоциировано с возникновением тромбоза, рестеноза, кальцификации и других осложнений.

Цель исследования: разработать биодеградируемые заплаты для артериальной реконструкции, содержащие в своем составе VEGF или RGD, и в сравнительном аспекте оценить их биосовместимость и эффективность в экспериментах in vitro и в ходе преклинических испытаний на модели крупных лабораторных животных.

Материалы и методы. Биодеградируемые заплаты из смеси полигидроксибутирата/валерата (poly(3-hydroxybutyrateco-3-hydroxyvalerate, PHBV) и поликапролактона (poly(ε-caprolactone), PCL) изготовлены методом электроспиннинга и модифицированы фактором роста эндотелия сосудов (vascular endothelial growth factor, VEGF) или пептидной последовательностью аргинин–глицин–аспарагиновая кислота (RGD) в различных конфигурациях. В экспериментах in vitro оценивали структуру поверхности, физико-механические и гемосовместимые свойства. В экспериментах in vivо оценивали эффективность разработанных сосудистых заплат в течение 6 месяцев после имплантации в сонную артерию 12 овец. Качество ремоделирования изучали с помощью гистологического и иммунофлуоресцентного исследований эксплантированных образцов.

Результаты. Заплаты PHBV/PCL/VEGF обладали физико-механическими характеристиками, более приближенными к аналогичным показателям нативных сосудов, а методика их биофункционализации приводила к наименьшему падению прочностных показателей относительно немодифицированных аналогов PHBV/PCL. Модифицирование RGD-пептидами в 2 раза снижало прочность полимерных заплат, не оказывая влияния на их упруго-деформативные свойства. Инкорпорирование VEGF в полимерные волокна снижало агрегацию тромбоцитов при контакте с поверхностью заплат PHBV/PCL/VEGF и не увеличивало гемолиз эритроцитов. Спустя 6 месяцев имплантации в сонную артерию овец на основе заплат PHBV/PCL/VEGF формировалась полноценная новообразованная сосудистая ткань без признаков сопутствующего воспаления и кальцификации, что свидетельствует о высокой эффективности инкорпорированного в состав заплаты сосудистого эндотелиального фактора роста. Напротив, заплаты, модифицированные различными конфигурациями RGD-пептидов, объединяло наличие гиперплазии неоинтимы и хроническое гранулематозное воспаление, присутствовавшее в стенке заплат и развившееся в процессе биорезорбции полимерного каркаса.

Заключение. Заплаты PHBV/PCL/VEGF обладали лучшей биосовместимостью и более пригодны для реконструкции сосудистой стенки по сравнению с PHBV/PCL/RGD.

1. Bonati LH, Dobson J, Featherstone RL, Ederle J, van der Worp HB, de Borst GJ, Mali et al. Long-term outcomes after stenting versus endarterectomy for treatment of symptomatic carotid stenosis: the international carotid stenting study (ICSS) randomised trial. Lancet. 2015; 385: 529–38. doi: 10.1016/S0140-6736(14)61184-3. PMID: 25453443.

2. Abbott AL, Paraskevas KI, Kakkos SK, Golledge J, Eckstein HH, Diaz-Sandoval LJ et al. Systematic review of guidelines for the management of asymptomatic and symptomatic carotid stenosis. Stroke. 2015; 46: 3288–3301. doi: 10.1161/strokeaha.115.003390. PMID: 26451020.

3. Гавриленко АВ, Куклин АВ, Фомина ВВ. Классическая и эверсионная каротидная эндартерэктомия у пациентов со стенозом внутренней сонной артерии. Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 2018; (2): 87–92.

4. Zannetti S, Cao P, De Rango P, Giordano G, Parlani G, Lenti M et al. Intraoperative assessment of technical perfection in carotid endarterectomy: a prospective analysis of 1305 completion procedures. Collaborators of the EVEREST study group. Eversion versus standard carotid endartectomy. Eur J Vasc Endovasc Surg. 1999; 18 (1): 52–8. doi: 10.1053/ejvs.1999.0856. PMID: 10388640.

5. Ren S, Li X, Wen J, Zhang W, Liu P. Systematic review of randomized controlled trials of different types of patch materials during carotid endarterectomy. PLoS one. 2013; 8 (1): e55050. PMID: 23383053. doi: 10.1371/journal.pone.0055050.

6. Texakalidis P, Giannopoulos S, Charisis N, Giannopoulos S, Karasavvidis T, Koullias G et al. A meta-analysis of randomized trials comparing bovine pericardium and other patch materials for carotid endarterectomy. J Vasc Surg. 2018; 68 (4): 1241–1256. doi: 10.1016/j.jvs.2018.07.023. PMID: 30244928.

7. Карпенко АА, Кужугет РА, Стародубцев ВБ, Игнатенко ПВ, Ким ИН, Горбатых ВН. Непосредственные и отдаленные результаты различных методов реконструкции каротидной бифуркации. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2013; 17 (1): 21–24.

8. Antonova LV, Sevostyanova VV, Mironov AV, Krivkina EO, Velikanova EA, Matveeva VG et al. In situ vascular tissue remodeling using biodegradable tubular scaffolds with incorporated growth factors and chemoattractant molecules. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2018; 7 (2): 25–36. doi: 10.17802/2306-1278-2018-7-2-25-36.

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

10. Krilleke D, Ng YS, Shima DT. The heparin-binding domain confers diverse functions of VEGF-A in development and disease: A structure-function study. Biochemical Society Transactions. 2009; 37 (6): 1201–1206. doi: 10.1530/JOE-15-0342. PMID: 19909247.

11. Miyazu K, Kawahara D, Ohtake H, Watanabe G, Matsuda T. Luminal surface design of electrospun small-diameter graft aiming at in situ capture of endothelial progenitor cell. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 2010; 94 (1): 53–63. doi: 10.1002/jbm.b.31623.

12. Wang F, Li Y, Shen Y, Wang A, Wang S, Xie T. The functions and applications of RGD in tumor therapy and tissue engineering. International Journal of Molecular Sciences. 2013; 14 (7): 13447–1362. doi: 10.3390/ijms140713447. PMID: 23807504.

13. Hsu SH, Chu WP, Lin YS, Chiang YL, Chen DC, Tsai CL. The effect of an RGD-containing fusion protein CBDRGD in promoting cellular adhesion. Journal of Biotechnology. 2004; 111 (2): 143–150. doi: 10.1016/j.jbiotec.2004.03.014. PMID: 15219401. 14. Севостьянова ВВ, Миронов АВ, Антонова ЛВ, Кривкина ЕО, Матвеева ВГ, Великанова ЕА и др. Тканеинженерная заплата, модифицированная фактором роста эндотелия сосудов, для реконструкции сосудистой стенки. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2020; 24 (4): 114–128.

14. 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.

15. Sevostianova VV, Antonova LV, Mironov AV, Yuzhalin AE, Silnikov VN, Glushkova TV et al. Biodegradable patches for arterial reconstruction modified with RGD peptides: results of an experimental study. ACS Omega. 2020; 5 (34): 21700–21711. doi: 10.1021/acsomega.0c02593. PMID: 32905385.

16. Lin HB, Sun W, Mosher DF, Garciaecheverria C, Schaufelberger K, Lelkes PI et al. Synthesis, Surface, and Cell Adhesion Properties of Polyurethanes Containing Covalently Grafted RGD-peptides. J Biomed Mater Res. 1994; 28 (3): 329–342. doi: 10.1002/jbm.820280307. PMID: 8077248.

17. Sedaghati T, Jell G, Seifalian A. Investigation of Schwann cell behaviour on RGD-functionalised bioabsorbable nanocomposite for peripheral nerve regeneration. New Biotechnology. 2014; 31 (3): 203–213. doi: 10.1016/j.nbt.2014.01.002. PMID: 24503165.

18. Антонова ЛВ, Миронов АВ, Сильников ВН, Глушкова ТВ, Кривкина ЕО, Акентьева ТН и др. Биодеградируемые сосудистые заплаты: сравнительная характеристика физико-механических и гемосовместимых свойств. Якутский медицинский журнал. 2019; 4 (68): 35–39.

19. Wei K, Li Y, Mugishima H, Teramoto A, Abe K. Fabrication of core-sheath structured fibers for model drug release and tissue engineering by emulsion electrospinning. Biotechnology Journal. 2012; 7 (5): 677–685. doi: 10.1002/biot.201000473. PMID: 22125296.

20. Spano F, Quarta A, Martelli C, Ottobrini L, Rossi RM, Giglic G et al. Fibrous scaffolds fabricated by emulsion electrospinning: from hosting capacity to in vivo biocompatibility. Nanoscale. 2016; 8 (17): 9293–9303. doi: 10.1039/C6NR00782A.

21. Yarin R.L. Coaxial electrospinning and emulsion electrospinning of core-shell fibers. Polymers for Advanced Technologies. 2011; 22 (3): 310–317. doi: 10.1002/pat.1781.

22. Ward AS, Cormier JM. Operative techniques in arterial surgery Dordrecht: Springer Netherlands. 1986.

23. Hersel U, Dahmen C, Kessler H. RGD modified polymers: biomaterials for stimulated cell adhesion and beyond. Biomaterials. 2003; 24 (24): 4385–4415. doi: 10.1016/S0142-9612(03)00343-0. PMID: 12922151.

24. Jolee Bartrom BS. ASTM Hemolysis. NAMSA. 2008; 1–12.

25. Malm CJ, Risberg B, Bodin A, Bäckdahl H, Johansson BR, Gatenholm P et al. Small calibre biosynthetic bacterial cellulose blood vessels: 13-months patency in a sheep model. Scand Cardiovasc J. 2012; 46 (1): 57–62. doi: 10.3109/14017431.2011.623788. PMID: 22029845.

26. Ahmed M, Hamilton G, Seifalian AM. The performance of a small-calibre graft for vascular reconstructions in a senescent sheep model. Biomaterials. 2014; 35 (33): 9033–9040. doi: 10.1016/j.biomaterials.2014.07.008. PMID: 25106769.

27. Thomas LV, Lekshmi V, Nair PD. Tissue engineered vascular grafts – preclinical aspects. Int J Cardiol. 2013; 167 (4): 1091–1100. PMID: 23040078. doi: 10.1016/j.ijcard.2012.09.069.

28. Swartz DD, Andreadis ST. Animal models for vascular tissue-engineering. Curr Opin Biotechnol. 2013; 24 (5): 916–925. doi: 10.1016/j.copbio.2013.05.005. PMID: 23769861.

29. Hoerstrup SP, Cummings Mrcs I, Lachat M, Schoen FJ, Jenni R, Leschka S et al. Functional growth in tissue-engineered living, vascular grafts: follow-up at 100 weeks in a large animal model. Circulation. 2006; 114 (1 Suppl): I159–I166. doi: 10.1161/circulationaha.105.001172. PMID: 16820566.

30. Catto V, Fare S, Freddi G, Tanzi MC. Vascular tissue engineering: ecent advances in small diameter blood vessel regeneration. ISRN Vasc Med. 2014; 923030. doi: 10.1155/2014/923030.

31. Matsuzaki Yu, Iwaki R, Reinhardt JW, Chang Yu-C, Miyamoto S, Kelly J et al. The effect of pore diameter on neo-tissue formation in electrospun biodegradable tissue-engineered arterial grafts in a large animal model. Acta Biomater. 2020; 115: 176–184. doi: 10.1016/j.actbio.2020.08.011. PMID: 32822820.

32. Matsuzaki Yu, Miyamoto S, Miyachi H, Iwaki R, Shoji T, Blum K et al. Improvement of a Novel Small-diameter Tissue-engineered Arterial Graft With Heparin Conjugation. Ann. Thorac. Surg. 2021; 111 (4): 1234–1241. doi: 10.1016/j.actbio.2020.08.011. PMID: 32822820.