Гистологические и генетические особенности ремоделирования тканеинженерных сосудистых протезов малого диаметра: результаты шестимесячной имплантации на модели овцы

Модифицирование поверхности полимерных каркасов лекарственными препаратами во избежание тромбообразования и инфицирования – перспективное направление тканевой инженерии, позволяющее также ускорить их ремоделирование и улучшить долгосрочную проходимость.

Цель: изучить гистологические и генетические особенности ремоделирования тканеинженерных сосудистых протезов малого диаметра с атромбогенным лекарственным покрытием и усиленным внешним каркасом, имплантированных в сонную артерию овцы.

Материалы и методы. Методом электроспиннинга изготовлены матриксы ∅4 мм из поли(ε-капролактонона) (PCL) с последующим созданием на их внешней поверхности армирующего спиралевидного каркаса из PCL посредством экструзии. Для предупреждения тромбообразования и инфицирования изготовленные протезы модифицировали илопростом и катионным амфифилом посредством комплексообразования через поливинилпирролидон (PVP). Проведены работы по оценке с помощью ИК-спектроскопии формирования покрытия на основе PVP, изучению физико-механических свойств протезов в продольном и поперечном направлениях, имплантации сосудистых протезов в сонную артерию овцы. Для оценки и контроля проходимости имплантированных протезов проводили ультразвуковое исследование (УЗИ) с функцией Доплера на 1-е, 5-е сутки, затем через 1, 3 и 6 месяцев. Эксплантированные образцы изучены методами гистологического и иммунофлуоресцентного анализов, проведена оценка профиля генной экспрессии.

Результаты. Согласно данным УЗИ-мониторинга, на 1-е и 5-е сутки после имплантации проходимость сосудистых протезов составила 100%. Через 1 месяц проходимость снизилась до 83,3%, к концу срока имплантации (6 месяцев) проходимость составила 50%, без развития аневризмообразования и отслойки армирующего каркаса. Результаты гистологического и иммунофлуоресцентного исследований проходимых протезов показали формирование на их основе новообразованной трехслойной структуры сосудистой ткани, без признаков воспаления и кальцификации. Однако, несмотря на структурное сходство новообразованной сосудистой ткани с нативной тканью сонной артерии овцы, анализ профиля генной экспрессии выявил различия по генетическому профилю: обнаружено снижение уровня экспрессии генов CNN и SNA12 в неоткани и увеличение уровня CTSB, TNFa, TGFb.

Заключение. Модифицированные полимерные сосудистые каркасы показали хорошее ремоделирование стенки протеза, без аневризмообразования. Выявленные генетические отличия новообразованной ткани от нативной логичны ввиду формирования ее на базе искусственного полимерного каркаса. Дальнейшие исследования усиленных полимерных каркасов будут направлены на усовершенствование внутренней поверхности с целью повышения их тромборезистентности.

1. Stowell CET, Li X, Matsunaga MH, Cockreham CB, Kelly KM, Cheetham J et al. Resorbable vascular grafts show rapid cellularization and degradation in the ovine carotid. J Tissue Eng Regen Med. 2020; 14 (11): 1673– 1684. doi: 10.1002/term.3128. PMID: 32893492.

2. Diener H, Hellwinklel O, Carpenter S, Avellaneda AL, Debus ES. Homografts and extra-anatomical reconstructions for infected vascular grafts. J Cardiovasc Surg. 2014; 55: 217–223. PMID: 24796916.

3. Gordon TN, Kornmuller A, Soni Y, Flynn LE, Gillies ER. Polyesters Based on Aspartic Acid and Poly(Ethylene Glycol): Functional Polymers for Hydrogel Preparation. Eur Polym J. 2021; 152: 110456. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2021.110456.

4. Guan G, Yu C, Xing M, Wu Y, Hu X, Wang H et al. Hydrogel Small-Diameter Vascular Graft Reinforced with a Braided Fiber Strut with Improved Mechanical Properties. Polymers (Basel). 2019; 11 (5): 810. doi: 10.3390/polym11050810.

5. Hasan A, Memic A, Annabi N, Hossain M, Paul A, Dokmeci M 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.

6. Matsuzaki Y, Iwaki R, Reinhardt JW, Chang Yu-Ch, 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.

7. Montini-Ballarina F, Calvo D, Caracciolo PC, Rojo F, Frontini PM, Abraham GA et al. Mechanical behavior of bilayered small-diameter nanofibrous structures as biomimetic vascular grafts. 2016. J Mech Behav Biomed Mater. 2016; 60: 220–233. doi: 10.1016/j.jmbbm.2016.01.025.

8. Blum KM, Zbinden JC, Ramachandra AB, Lindsey SE, Szafron JM, Reinhardt JW et al. Tissue engineered vascular grafts transform into autologous neovessels capable of native function and growth. Commun Med (Lond). 2022; 2: 3. doi: 10.1038/s43856-021-00063-7.

9. Mrówczyński W, Mugnai D, de Valence S, Tille JC, Khabiri E, Cikirikcioglu M et al. Porcine carotid artery replacement with biodegradable electrospun poly-ecaprolactone vascular prosthesis. J Vasc Surg. 2014; 59 (1): 210–219. doi: 10.1016/j.jvs.2013.03.004. PMID: 23707057.

10. Zhao L, Li X, Yang L, Sun L, Mu S, Zong H et al. Evaluation of remodeling and regeneration of electrospun PCL/fibrin vascular grafts in vivo. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2021; 118: 111441. doi: 10.1016/j.msec.2020.111441. PMID: 33255034.

11. Matsuzaki Y, Miyamoto Sh, 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.athoracsur.2020.06.112.

12. Matsuzaki Y, Ulziibayar A, Shoji T, Shinoka T. Heparin-Eluting Tissue-Engineered Bioabsorbable Vascular Grafts. Appl Sci. 2021; 11: 4563. doi: 10.3390/app11104563.

13. Fang Z, Xiao Y, Geng X, Jia L, Xing Y, Ye L et al. Fabrication of heparinized small diameter TPU/PCL bi-layered artificial blood vessels and in vivo assessment in a rabbit carotid artery replacement model. Biomater Adv. 2022; 133: 112628. doi: 10.1016/j.msec.2021.112628. PMID: 35527159.

14. Berard X, Puges M, Pinaquy JB, Cazanave C, Ste cken L, Bordenave L et al. In vitro evidence of improved antimicrobial efficacy of silver and triclosan containing vascular grafts compared with rifampicin soaked grafts. Eur J Vasc Endovasc Surg. 2019; 57 (3): 424–432. doi: 10.1016/j.ejvs.2018.08.053. PMID: 30301647.

15. Clarke J, Shalhoub J, Das SK. Ceramic gentamicin beads in vascular graft infection – a cautionary note. Vasc Endovascular Surg. 2013; 47 (1): 76–77. doi: 10.1177/1538574412465970. PMID: 23154662.

16. Bisdas T, Beckmann E, Marsch G, Burgwitz K, Wilhelmi M, Kuehn C et al. Prevention of vascular graft infections with antibiotic graft impregnation prior to implantation: in vitro comparison between daptomycin, rifampin and nebacetin. Eur J Vasc Endovasc Surg. 2012; 43 (4): 448–456. doi: 10.1016/j.ejvs.2011.12.029. PMID: 22264589.

17. Кривкина ЕО, Миронов АВ, Шабаев АР, Великанова ЕА, Ханова МЮ, Синицкая АВ и др. Особенности ремоделирования новообразованной сосудистой ткани на базе биодеградируемых сосудистых протезов, имплантированных в сонную артерию овец: морфогенетический анализ. Сибирский журнал клинической и экспериментальной медицины. 2023; 38 (1): 152–159. doi: 10.29001/2073-85522023-38-1-151-159.

18. Burkert S, Schmidt T, Gohs U, Dorschner H, Arndt K-F. Cross-linking of poly(N-vinyl pyrrolidone) films by electron beam irradiation. Radiation Physics and Chemistry. 2007; 76: 1324–1328. doi: 10.1016/j.radphyschem.2007.02.024.

19. Antonova L, Kutikhin A, Sevostianova V, Lobov A, Repkin E, Krivkina E et al. Controlled and Synchronised Vascular Regeneration upon the Implantation of Iloprost and Cationic Amphiphilic Drugs-Conjugated Tissue-Engineered Vascular Grafts into the Ovine Carotid Artery: A Proteomics-Empowered Study. Polymers. 2022; 14: 5149. doi: 10.3390/polym14235149. PMID: 36501545.

20. 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.

21. Fan Y, Pei J, Li X, Qin Y, Xu Y, Ke M et al. Construction of tissue-engineered vascular grafts with high patency by mimicking immune stealth and blocking TGF-β mediated endothelial-to-mesenchymal transition. Composites Part B: Engineering. 2023; (251): 110487. doi: 10.1016/j.compositesb.