Децеллюляризованная строма пуповины в тканевой инженерии и регенеративной медицине: систематический обзор

Несмотря на большой прогресс в области создания биоматериалов для тканевой инженерии и регенеративной медицины, высокие требования, предъявляемые к искусственным матриксам (матрицам, носителям, скаффолдам), являются причиной продолжающегося поиска природных или синтетических миметиков внеклеточного матрикса. Среди таких материалов многообещающим представляется децеллюляризованная строма пуповины благодаря высокому содержанию гиалуроновой кислоты, цитокинов и факторов роста, а также отсутствию этических ограничений для ее получения. Описано, что децеллюляризованная строма пуповины способствует восстановлению хряща, печеночной ткани, нервной ткани и заживлению ран. В обзоре дан критический анализ и обобщены опубликованные данные, касающиеся способности децеллюляризованной стромы пуповины поддерживать необходимые условия для адгезии, миграции, дифференцировки и функциональной активности адгезированных клеток, стимулируя, таким образом, внутренний (физиологический) регенеративный потенциал тканей. Поиск литературы проводился в электронных базах данных Medline/PubMed (www/ncbi.nlm.nih.gov/pubmed), Cochrane library (https://www.cochrane.org), eLIBRARY / Российский индекс научного цитирования (https://www.elibrary.ru). Критериями включения было присутствие биоматериалов, полученных из децеллюляризованной стромы пуповины. Критериями исключения статей были такие объекты исследования, как децеллюляризованные сосуды (вены и артерии) пуповины, а также культуры клеток пуповины. Для анализа получаемых продуктов, областей их применения, методов децеллюляризации и результатов исследований были выбраны 25 оригинальных статей на английском и русском языках. Также в обзоре обсуждаются перспективы использования децеллюляризованной пуповины в медицине

1. Севастьянов ВИ. Технологии тканевой инженерии и регенеративной медицины. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2014; 16 (3): 93–108. doi: 10.15825/1995-1191-2014-3-93-108.

2. Мелешина АВ, Быстрова АС, Роговая ОС, Воротеляк ЕА, Васильев АВ, Загайнова ЕВ. Тканеинженерные конструкты кожи и использование стволовых клеток для создания кожных эквивалентов. Современные технологии в медицине. 2017; 9 (1): 198–220. doi: 10.17691/stm2017.9.1.24.

3. Фоминых ЕМ, Митрофанов НВ, Живцов ОП, Стручков АА, Зубрицкий ВФ, Лебедева ЮН и др. Трансплантация тканевых эквивалентов в лечении некоторых повреждений кожи. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2020; 22 (1): 165–173. doi: 10.15825/19952020-1-165-173.

4. Севастьянов ВИ, Григорьев АМ, Басок ЮБ, Кирсанова ЛА, Василец НВ, Малкова АП и др. Биосовместимые и матриксные свойства полилактидных губок. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2018; 20 (2): 82–90. doi: 10.15825/1995-1191-2018-2-82-90.

5. Liu H, Gong Y, Zhang K, Ke S, Wang Y, Wang J, Wang H. Recent Advances in Decellularized Matrix-Derived Materials for Bioink and 3D Bioprinting. Gels. 2023; 9 (3): 195. doi: 10.3390/gels9030195.

6. Басок ЮБ, Севастьянов ВИ. Технологии тканевой инженерии и регенеративной медицины в лечении дефектов хрящевой ткани суставов. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2016; 18 (4): 102–122. doi: 10.15825/1995-1191-2016-4-102-122.

7. 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. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2017; 164: 269–273. doi: 10.1007/s10517-017-3971-z.

8. Севастьянов ВИ, Басок ЮБ, Григорьев АМ, Кирсанова ЛА, Василец НВ. Перфузионный биореактор для создания тканеинженерных конструкций. Медицинская техника. 2017; 303 (3): 9–11.

9. Badylak SF. Decellularized allogeneic and xenogeneic tissue as a bioscaffold for regenerative medicine: factors that influence the host response. Annals of Biomedical Engineering. 2014; 42 (7): 1517–1527. doi: 10.1007/s10439-013-0963-7. PMID: 24402648.

10. Bakhtyar N, Jeschke MG, Mainville L, Herer E, AminiNik S. Acellular gelatinous material of human umbilical cord enhances wound healing: a candidate remedy for deficient wound healing. Frontiers in Physiology. 2017; 8: 200. doi: 10.3389/fphys.2017.00200. PMID: 28421003.

11. Gupta P, Chaudhuri GR, Janani G, Agarwala M, Ghosh D, Nandi SK, Mandal BB. Functionalized silk vascular grafts with decellularized human Wharton’s jelly improves remodeling via immunomodulation in rabbit jugular vein. Advanced Healthcare Materials. 2021; 10 (19): e2100750. doi: 10.1002/adhm.202100750. PMID: 34378360.

12. Калюжная ЛИ, Чернов ВЕ, Фрумкина АС, Чеботарев СВ, Земляной ДА, Товпеко ДВ, Косулин АВ. Изготовление тканеинженерного бесклеточного матрикса пуповины человека. Вестник Российской военно­медицинской академии. 2020; 69 (1): 124–130. doi: 10.17816/brmma25980.

13. Sobolewski K, Małkowski A, Bańkowski E, Jaworski S. Wharton’s jelly as a reservoir of peptide growth factors. Placenta. 2005; 26 (10): 747–752. doi: 10.1016/j.placenta.2004.10.008. PMID: 16226124.

14. Gupta A, El­Amin SF, Levy HJ, Sze­Tu R, Ibim SE, Maffulli N. Umbilical cord-derived Wharton’s jelly for regenerative medicine applications. Journal of Orthopaedic Surgery. 2020; 15. doi: 10.1186/s13018-020-15537. PMID: 32054483.

15. Fayon A, Helle D, Francius G. Characterization of an innovative biomaterial derived from human Wharton’s jelly as a new promising coating for tissue engineering applications. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2022; 10: 884069. doi: 10.3389/fbioe.2022.884069. PMID: 35769101.

16. Dubus M, Scomazzon L, Chevrier J, Ledouble C, Baldit A, Braux J et al. Antibacterial and immunomodulatory properties of acellular Wharton’s jelly matrix. Biomedicines. 2022; 10 (2): 227. doi: 10.3390/biomedicines10020227. PMID: 35203437.

17. Dubus M, Scomazzon L, Chevrier J, Montanede A, Baldit A, Terryn C et al. Decellularization of Wharton’s jelly increases its bioactivity and antibacterial properties. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2022; 10: 828424. doi: 10.3389/fbioe.2022.828424. PMID: 35360386.

18. Ramzan F, Ekram S, Frazier T, Salim A, Mohiuddin OA, Khan I. Decellularized human umbilical tissue derived hydrogels promote proliferation and chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells. Bioengineering. 2022; 9: 239. doi: 10.3390/bioengineering9060239.

19. Kehtari M, Beiki B, Zeynali B. Decellularized Wharton’s jelly extracellular matrix as a promising scaffold for promoting hepatic differentiation of human induced pluripotent stem cells. Journal of Cellular Biochemistry. 2019; 120 (4): 6683–6697. doi: 10.1002/jcb.27965. PMID: 30417406.

20. Kočí Z, Výborný K, Dubišová J. Extracellular matrix hydrogel derived from human umbilical cord as a scaffold for neural tissue repair and its comparison with extracellular matrix from porcine tissues. Tissue Engineering Part C Methods. 2017; 23 (6): 333–345. doi: 10.1089/ten.TEC.2017.0089. PMID: 28471271.

21. Lu J­H, Hsia K, Su CK, Pan YH, Ma H, Chiou SH, Lin CH. A novel dressingcomposed of adipose stem cells and decellularized Wharton’s jelly facilitatedwound healing and relieved lymphedema by enhancing angiogenesis and lymphangiogenesis in a rat model. Journal of functional biomaterials. 2023; 14 (2): 104. doi: 10.3390/jfb14020104. PMID: 36826903.

22. Beiki B, Zeynali B, Seyedjafari E. Fabrication of a three dimensional spongy scaffold using human Wharton’s jelly derived extra cellular matrix for wound healing. Materials Science and Engineering C­Materials for Biological Applications. 2017; 78: 627–638. doi: 10.1016/j.msec.2017.04.074. PMID: 28576031.

23. Bullard JD, Lei J, Lim JJ, Massee M, Fallon AM, Koob TJ. Evaluation of dehydrated human umbilical cord biological properties for wound care and soft tissue healing. Journal of Biomedical Materials Research Part B Applied Biomaterials. 2019; 107 (4): 1035–1046. doi: 10.1002/jbm.b.34196. PMID: 30199609.

24. Li D, Chiu G, Lipe B, Hopkins RA, Lillis J, Ashton JM et al. Decellularized Wharton jelly matrix: a biomimetic scaffold for ex vivo hematopoietic stem cell culture. Blood Advances. 2019; 3 (7): 1011–1026. doi: 10.1182/ bloodadvances.2018019315. PMID: 30940636.

25. Penolazzi L, Pozzobon M, Bergamin LS, D’Agostino S, Francescato R, Bonaccorsi G et al. Extracellular matrix from decellularized Wharton’s jelly improves the behavior of cells from degenerated intervertebral disc. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020; 8: 262. doi: 10.3389/fbioe.2020.00262. PMID: 32292779.

26. Jadalannagari S, Converse G, McFall C, Buse E, Filla M, Villar MT et al. Decellularized Wharton’s jelly from human umbilical cord as a novel 3d scaffolding material for tissue engineering applications. PLoS One. 2017; 12 (2): e0172098. doi: 10.1371/journal.pone.0172098. PMID: 28222169.

27. PLOS ONE Staff. Correction: Decellularized Wharton’s Jelly from human umbilical cord as a novel 3D scaffolding material for tissue engineering applications. PLoS One. 2017 Mar 7; 12 (3): e0173827. doi: 10.1371/journal.pone.0173827. Erratum for: PLoS One. 2017 Feb 21; 12 (2): e0172098. PMID: 28267774.

28. Jalili Z, Emamgolizadeh B, Abbaszadeh H, Jalili S, Derakhshani M, Yousefi M et al. Effect of replacement of Wharton acellular jelly with fbs on the expression of megakaryocyte linear markers in hematopoietic stem cells CD34. Asian Pacific Journal of Cancer Prevention. 2022; 23 (10): 3281–3286. doi: 10.31557/APJCP.2022.23.10.3281. PMID: 36308350.

29. Talebi M, Nozad Charoudeh H, Movassaghpour Akbari AA, Baradaran B, Kazemi T. Acellular Wharton’s jelly, potentials in t-cell subtypes differentiation, activation and proliferation. Advanced Pharmaceutical Bulletin. 2020; 10 (4): 617–622. doi: 10.34172/apb.2020.074. PMID: 33072540.

30. Dan P, Velot É, Francius G, Menu P, Decot V. Humanderived extracellular matrix from Wharton’s jelly: An untapped substrate to build up a standardized and homogeneous coating for vascular engineering. Acta Biomaterialia. 2017; 48: 227–237. doi: 10.1016/j.actbio.2016.10.018. PMID: 27769940.

31. Basiri A, Farokhi M, Azami M, Ebrahimi­Barough S, Mohamadnia A, Rashtbar M et al. A silk fibroin/decellularized extract of Wharton’s jelly hydrogel intended for cartilage tissue engineering. Progress in Biomaterials. 2019; 8 (1): 31–42. doi: 10.1007/s40204-019-0108-7. PMID: 30706299.

32. Azarbarz N, Khorsandi L, Nejaddehbashi F, Neisi N, Nejad DB. Decellularized Wharton’s jelly scaffold enhances differentiation of mesenchymal stem cells to insulin-secreting cells. Tissue Cell. 2022; 79: 101938. doi: 10.1016/j.tice.2022.101938. PMID: 36152380.

33. Xiao T, Guo W, Chen M, Hao C, Gao S, Huang J et al. Fabrication and In Vitro study of tissue-engineered cartilage scaffold derived from Wharton’s jelly extracellular matrix. BioMed Research International. 2017; 2017: 5839071. doi: 10.1155/2017/5839071. PMID: 29214173.

34. Foltz KM, Neto AE, Francisco JC, Simeoni RB, Miggiolaro AFRDS, do Nascimento TG et al. Decellularized Wharton jelly implants do not trigger collagen and cartilaginous tissue production in tracheal injury in rabbits. Life (Basel). 2022; 12 (7): 942. doi: 10.3390/ life12070942. PMID: 35888031.

35. Yuan Z, Cao F, Gao C, Yang Z, Guo Q, Wang Y. Decellularized human umbilical cord Wharton jelly scaffold improves tendon regeneration in a rabbit rotator cuff tendon defect model. The American Journal of Sports Medicine. 2022; 50 (2): 371–383. doi: 10.1177/03635465211055722. PMID: 34739346.

36. Mann LK, Won JH, Trenton NJ, Garnett J, Snowise S, Fletcher SA et al. Cryopreserved human umbilical cord versus acellular dermal matrix patches for in utero fetal spina bifida repair in a pregnant rat model. Journal of neurosurgery. Spine. 2019; 32 (2): 321–331. doi: 10.3171/2019.7.SPINE19468. PMID: 31675701.

37. Converse GL, Li D, Buse EE, Hopkins RA, Aljitawi OS. Wharton’s jelly matrix decellularization for tissue engineering applications. Methods in Molecular Biology. 2018; 1577: 25–33. doi: 10.1007/7651_2017_61. PMID: 28786033.

38. Výborný K, Vallová J, Kočí Z, Kekulová K, Jiráková K, Jendelová P et al. Genipin and EDC crosslinking of extracellular matrix hydrogel derived from human umbilical cord for neural tissue repair. Scientific Reports. 2019; 9 (1): 10674. doi: 10.1038/s41598-019-47059-x. PMID: 31337821.

39. Болгарчук ОО, Калюжная ЛИ, Чернов ВЕ, Чеботарев СВ, Симанов АГ, Чернуцкий АМ. Оптимизация процедуры децеллюляризации соединительной ткани пуповины человека для создания тканеинженерного раневого покрытия. Известия Российской военно­медицинской академии. 2020; 39 (S3-1): 13–18.

40. Кондратенко АА, Калюжная ЛИ, Соколова МО, Чернов ВЕ. Сохранность важнейших структурных компонентов пуповины человека после децеллюляризации как этапа изготовления высокорегенеративного раневого покрытия. Биотехнология. 2021; 37 (5): 61–65. doi: 10.21519/0234-2758-2021-37-5-61-65.

41. Чеботарев СВ, Калюжная ЛИ, Хоминец ВВ, Чернов ВЕ, Фрумкина АС, Земляной ДА и др. Регенеративные эффекты гидрогеля из биоматериала пуповины человека в восстановлении повреждений суставного хряща. Клиническая и экспериментальная хирургия. Журнал имени академика Б.В. Петровского. 2020; 8 (4): 119–125. doi: 10.33029/2308-1198-2020-84-119-125.

42. Кондратенко АА, Товпеко ДВ, Калюжная ЛИ. Биологические эффекты бесклеточного тканеинженерного продукта из пуповины человека. Патогенез. 2022; 20 (4): 53–62. doi: 10.25557/23100435.2022.04.53-62.

43. Калюжная ЛИ, Чеботарев СВ. Гидрогель из пуповины человека в лечении дефектов суставногохряща в эксперименте. Известия Российской военно­медицинской академии. 2020; 39 (S3-1): 37–40.

44. Калюжная ЛИ, Хоминец ВВ, Чеботарев СВ, Харкевич ОН, Кудяшев АЛ, Чернов ВЕ и др. Применение биоматериала из пуповины человека для восстановления повреждений суставного хряща. Профилактическая и клиническая медицина. 2019; 4 (73): 45–52.

45. Кондратенко АА, Калюжная­Земляная ЛИ, Товпеко ДВ, Шевелева ВС, Глушаков РИ. Биологические и функциональные свойства лиофилизированных форм тканеинженерных матриксов из пуповины человека. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2023; 25 (1): 113–122. doi: 10.15825/1995-1191-2023-1-113-122.

46. Shin H, Jo S, Mikos AG. Biomimetic materials for tissue engineering. Biomaterials. 2003; 24 (24): 4353– 4364. doi: 10.1016/s0142-9612(03)00339-9. PMID: 12922148.

47. Немец ЕА, Лажко АЭ, Григорьев АМ, Басок ЮБ, Кириллова АД, Севастьянов ВИ. Биосовместимые и функциональные свойства тканеспецифической мелкодисперсной 3D-матрицы из децеллюляризованного хряща свиньи. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2022; 24 (4): 73–84. doi: 10.15825/1995-1191-2022-4-73-84.

48. 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.

49. Simsa R, Padma AM, Heher P, Hellström M, Teuschl A, Jenndahl L et al. Systematic in vitro comparison of decellularization protocols for blood vessels. PLoS One. 2018; 13 (12): e0209269. doi: 10.1371/journal.pone.0209269. PMID: 30557395.

50. Sevastianov VI, Basok YuB, Grigoriev AM, Nemets EA, Kirillova AD, Kirsanova LA et al. Decellularization of cartilage microparticles: Effects of temperature, supercritical carbon dioxide and ultrasound on biochemical, mechanical, and biological properties. Journal of Biomedical Materials Research A. 2023; 111 (4): 543–555. doi: 10.1002/jbm.a.37474. PMID: 36478378.

51. Kirillova AD, Basok YuB, Lazhko AE, Grigoryev AM, Kirsanova LA, Nemets EA, Sevastianov VI. Creating a tissue-specific microdispersed matrix from a decellularized porcine liver. Inorganic Materials: Applied Research. 2021; 12 (3): 812–819. doi: 10.1134/S2075113321030199.

52. Целуйко СС, Малюк ЕА, Корнеева ЛС, Красавина НП. Морфофункциональная характеристика дермы кожи и ее изменения при старении (обзор литературы). Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2016; 60. doi: 10.12737/20130.

53. Басок ЮБ, Кириллова АД, Григорьев АМ, Кирсанова ЛА, Немец ЕА, Севастьянов ВИ. Получение микродисперсного тканеспецифического децеллюляризованного матрикса из суставного хряща свиньи. Перспективные материалы. 2020; 5: 51–60. doi: 10.30791/1028-978x-2020-5-51-60.

54. Потекаев НН, Фриго НВ, Петерсен ЕВ. Искусственная кожа: виды, области применения. Клиническая дерматология и венерология. 2017; 6: 7–15. doi: 10.17116/klinderma20171667-15.

55. Cramer MC, Badylak SF. Extracellular Matrix-Based Biomaterials and Their Influence Upon Cell Behavior. Annals of Biomedical Engineering. 2020; 48 (7): 2132–2153. doi: 10.1007/s10439-019-02408-9. PMID: 31741227.

56. Galili U. Acceleration of wound healing by α-gal nanoparticles interacting with the natural anti-Gal antibody. Journal of Immunology Research. 2015; 2015: 589648. doi: 10.1155/2015/589648. PMID: 25922849.

57. Dziki JL, Huleihel L, Scarritt ME, Badylak SF. Extracellular matrix bioscaffolds as immunomodulatory biomaterials. Tissue Engineering Part A. 2017; 23 (19–20): 1152–1159. doi: 10.1089/ten.TEA.2016.0538. PMID: 28457179.

58. Sicari BM, Johnson SA, Siu BF, Crapo PM, Daly KA, Jiang H et al. The effect of source animal age upon the in vivo remodeling characteristics of an extracellular matrix scaffold. Biomaterials. 2012; 33 (22): 5524–5533. doi: 10.1016/j.biomaterials.2012.04.017. PMID: 22575834.

59. Huleihel L, Hussey GS, Naranjo JD, Zhang L, Dziki JL, Turner NJ et al. Matrix-bound nanovesicles within ECM bioscaffolds. Science Advances. 2016; 2 (6): e1600502. doi: 10.1126/sciadv.1600502. PMID: 27386584.

60. Delgado LM, Bayon Y, Pandit A, Zeugolis DI. To crosslink or not to cross-link? Cross-linking associated foreign body response of collagen-based devices. Tissue Engineering Part B Reviews. 2015; 21 (3): 298–313. doi: 10.1089/ten.TEB.2014.0290. PMID: 25517923.

61. Roy A, Mantay M, Brannan C, Griffiths S. Placental Tissues as Biomaterials in Regenerative Medicine. BioMed Research International. 2022; 2022: 6751456. doi: 10.1155/2022/6751456. PMID: 35496035.

62. Lo DD, Zimmermann AS, Nauta A, Longaker MT, Lorenz HP. Scarless fetal skin wound healing update. Birth Defects Research Part C Embryo Today Reviews. 2012; 96 (3): 237–247. doi: 10.1002/bdrc.21018. PMID: 23109319.

63. Yannas IV. Similarities and differences between induced organ regeneration in adults and early foetal regeneration. Journal of the Royal Society Interface. 2005; 2 (5): 403–417. doi: 10.1098/rsif.2005.0062. PMID: 16849201.

64. Nanaev AK, Kohnen G, Milovanov AP, Domogatsky SP, Kaufmann P. Stromal differentiation and architecture of the human umbilical cord. Placenta. 1997; 18 (1): 53–64. doi: 10.1016/s0143-4004(97)90071-0. PMID: 9032810.

65. Franc S, Rousseau JC, Garrone R, van der Rest M, Moradi­Améli M. Microfibrillar composition of umbilical cord matrix: characterization of fibrillin, collagen VI and intact collagen V. Placenta. 1998; 19 (1): 95–104. doi: 10.1016/s0143-4004(98)90104-7. PMID: 9481791.

66. Калюжная ЛИ, Соколова МО, Чернов ВЕ, Земляной ДА, Чеботарев СВ, Чалисова НИ и др. Влияние бесклеточного матрикса пуповины человека на динамику роста и жизнеспособность культивируемых клеток человека и животных ex vivo. Гены и клетки. 2021; 3: 72–79. doi: 10.23868/202110010.

67. https://trialsearch.who.int/Trial2.aspx?TrialID=IRCT 20210612051545N3 [Internet]. World Health Organization: International Clinical Trials Registry Platform (ICTRP). [updated 2022 November 21; cited 2023 April 03]. Available from: https://trialsearch.who.int/Trial2.as px?TrialID=IRCT20210612051545N3.

68. https://trialsearch.who.int/Trial2.aspx?TrialID=IRCT 20210612051545N2 [Internet]. World Health Organization: International Clinical Trials Registry Platform (ICTRP). [updated 2022 November 21; cited 2023 April 03]. Available from: https://trialsearch.who.int/Trial2.as px?TrialID=IRCT20210612051545N2.