Биомиметический подход к разработке протезов кровеносных сосудов малого диаметра

Цель: разработать многослойные пористые трубчатые каркасы (ПТК) диаметром 2 мм с характеристиками, близкими к естественным кровеносным сосудам малого диаметра.

Материалы и методы. ПТК из поликапролактона (ПКЛ, ММ 80000) с водозапирающим слоем из ПКЛ с добавлением желатина (ПКЛЖ) диаметром 2 мм формировали методом электроспиннинга (NANON-01A). Биоактивное покрытие наносили на поверхность ПТК последовательной инкубацией в растворах бычьего сывороточного альбумина, гепарина (Гп) и лизата тромбоцитов (ЛТ). Цитотоксичность исследовали в условиях непосредственного контакта ПТК с монослоем фибробластов мыши линии NIH/3T3. Жизнеспособность ЭКч линии EA.hy926 оценивали с помощью набора Live/Dead^® Viability/Cytotoxicity Kit. Проходимость и параметры кровотока ПТК, имплантированных в инфраренальный отдел аорты крысы, регистрировали с применением допплерографии.

Результаты. Разработана трехслойная конструкция ПТК с внутренним диаметром 2 мм, внутренний и внешний слои которой сформированы из 0,2 мл раствора ПКЛ, а средний водозапирающий слой – из 0,5 мл раствора ПКЛ с добавлением 30% (по массе полимера) желатина. Введение водозапирающего слоя позволило снизить хирургическую пористость (ХП) с 56,2 ± 8,7 мл/(см²·мин) в случае однослойного ПТК из чистого ПКЛ до 8,9 ± 2,6 мл/(см²·мин) для трехслойного ПТК. Полученные ПТК продемонстрировали физико-механические характеристики, сходные с естественными кровеносными сосудами, а также отсутствие цитотоксичности. Нанесение биоактивного покрытия из Гп и ЛТ позволило повысить in vitro адгезию и пролиферацию ЭК. Была осуществлена коррекция техники имплантации фрагментов трехслойных ПТК длиной 10 мм в инфраренальный отдел аорты крысы, позволившая минимизировать кровопотерю и сужение области анастомозов. В остром эксперименте доказано, что протезы проходимы, а параметры кровотока (систолическая и диастолическая скорость, индекс резистивности) близки к соответствующим показателям естественной аорты крысы.

Заключение. Разработанные трехслойные конструкции ПТК имеют низкую ХП и физико-механические свойства, близкие к нативным кровеносным сосудам. Нанесение биологически активного покрытия позволяет улучшить in vitro матриксные свойства ПТК относительно ЭКч. При кратковременной имплантации в аорту экспериментального животного ПТК продемонстрировали отсутствие раннего тромбоза, при этом параметры кровотока были близки к показателям естественной аорты крысы. Таким образом, трехслойный ПТК с биоактивным покрытием может быть использован в качестве каркаса для формирования in situ тканеинженерной конструкции кровеносного сосуда малого диаметра.

1. Das D, Noh I. Overviews of Biomimetic Medical Materials. Adv Exp Med Biol. 2018; 1064: 3–24. doi: 10.1007/978-981-13-0445-3_1.

2. Weekes A, Bartnikowski N, Pinto N, Jenkins J, Meinert C, Klein TJ. Biofabrication of small diameter tissueengineered vascular grafts. Acta Biomater. 2022 Jan 15; 138: 92–111. doi: 10.1016/j.actbio.2021.11.012.

3. Wesolowski SA, Fries CC, Karlson KE, De Bakey M, Sawyer PN. Porosity: primary determinant of ultimate fate of synthetic vascular grafts. Surgery. 1961; 50: 91–96.

4. Лебедев ЛВ, Плотник ЛЛ, Смирнов АД. Протезы кровеносных сосудов. Л.: Медицина, 1981; 192.

5. Guan G, Yu C, Fang X, Guidoin R, King MW, Wang H, Wang L. Exploration into practical significance of integral water permeability of textile vascular grafts. J Appl Biomater Funct Mater. 2021; 22808000211014007. doi: 10.1177/22808000211014007.

6. Copes F, Pien N, Van Vlierberghe S, Boccafoschi F, Mantovani D. Collagen-Based Tissue Engineering Strategies for Vascular Medicine. Front Bioeng Biotechnol. 2019; 7: 166. doi: 10.3389/fbioe.2019.00166.

7. Fortin W, Bouchet M, Therasse E, Maire M, Héon H, Ajji A et al. Negative In Vivo Results Despite Promising In Vitro Data With a Coated Compliant Electrospun Polyurethane Vascular Graft. J Surg Res. 2022; 279: 491– 504. doi: 10.1016/j.jss.2022.05.032.

8. Huang F, Sun L, Zheng J. In vitro and in vivo characterization of a silk fibroin-coated polyester vascular prosthesis. Artif Organs. 2008; 12: 932–941. doi: 10.1111/j.15251594.2008.00655.x.

9. Lee JH, Kim WG, Kim SS, Lee JH, Lee HB. Development and characterization of an alginate-impregnated polyester vascular graft. J Biomed Mater Res. 1997; 36: 200–208. doi: 10.1002/(sici)1097-4636(199708)36:2<200::aidjbm8>3.0.co;2-o.

10. Lisman A, Butruk B, Wasiak I, Ciach T. Dextran/Albumin hydrogel sealant for Dacron(R) vascular prosthesis. J Biomater Appl. 2014; 28: 1386–1396. doi: 10.1177/0885328213509676.

11. Madhavan K, Elliott WH, Bonani W, Monnet E, Tan W. Mechanical and biocompatible characterizations of a readily available multilayer vascular graft. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2013; 101: 506–519. doi: 10.1002/jbm.b.32851.

12. Немец ЕА, Панкина АП, Сургученко ВА, Севастьянов ВИ. Биостабильность и цитотоксичность медицинских изделий на основе сшитых биополимеров. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2018; 20 (1): 79–85.

13. Глушкова ТВ, Овчаренко ЕА, Рогулина НВ, Клышников КЮ, Кудрявцева ЮА, Барбараш ЛС. Дисфункции эпоксиобработанных биопротезов клапанов сердц а. Кардиология. 2019; 59 (10): 49–59.

14. Hennink WE, van Nostrum CF. Novel crosslinking methods to design hydrogels. Adv Drug Deliv Rev. 2002; 54: 13–36. doi: 10.1016/s0169-409x(01)00240-x.

15. Новикова СП, Салохединова РР, Лосева СВ, Николашина ЛН, Левкина АЮ. Анализ физико-механических и структурных характеристик протезов кровеносных сосудов. Грудная и сердечно-сосудистая хирургия. 2012; 54 (4): 27–33.

16. Попова ИВ, Степанова АО, Сергеевичев ДС, Акулов АЕ, Захарова ИС, Покушалов АА и др. Сравнительное исследование трех типов протезов, изготовленных методом электроспиннинга, в эксперименте in vitro и in vivo. Патология кровообращения и кардиохирургия. 2015; 19 (4): 63–71.

17. Chen X, Yao Y, Liu S, Hu Q. An integrated strategy for designing and fabricating triple-layer vascular graft with oriented microgrooves to promote endothelialization. J Biomater Appl. 2021; 36: 297–310. doi: 10.1177/08853282211001006.

18. Huang R, Gao X, Wang J, Chen H, Tong C, Tan Y, Tan Z. Triple-Layer Vascular Grafts Fabricated by Combined E-Jet 3D Printing and Electrospinning. Ann Biomed Eng. 2018; 46 (9): 1254–1266. doi: 10.1007/s10439-0182065-z.

19. Liu K, Wang N, Wang W, Shi L, Li H, Guo F et al. A bioinspired high strength three-layer nanofiber vascular graft with structure guided cell growth. J Mater Chem B. 2017; 5 (20): 3758–3764. doi: 10.1039/c7tb00465f.

20. Nemets EA, Surguchenko VA, Belov VYu, Xajrullina AI, Sevastyanov VI. Porous Tubular Scaffolds for Tissue Engineering Structures of Small Diameter Blood Vessels. Inorganic Materials: Applied Research. 2023; 14: 400– 407. doi: 10.1134/S2075113323020338.

21. Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 5. Исследование на цитотоксичность: методы in vitro: ГОСТ ISO 109935-2023. М.: Российский институт стандартизации, 2023.

22. Blache U, Guerrero J, Güven S, Klar AS, Scherberich A. Microvascular networks and models: in vitro formation. W. Holnthoner, A. Banfi, J. Kirkpatrick, H. Redleds. Vascularization for tissue engineering and regenerative medicine. Reference series in biomedical engineering. Springer, Cham. 2021: 345–383. doi: 10.1007/978-3319-54586-8.

23. Григорьев АМ, Басок ЮБ, Кириллова АД, Сургученко ВА, Шмерко НП, Кулакова ВК и др. Криогенноструктурированный гидрогель на основе желатина как резорбируемая макропористая матрица для биомедицинских технологий. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2022; 24 (2): 83–93. doi: 10.15825/1995-1191-2022-2-83-93.

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

25. Wang Z, Liu S, Guidoin R, Kodama M. Polyurethane vascular grafts with thorough porosity: does an internal or an external membrane wrapping improve their in vivo blood compatibility and biofunctionality? Artif Cells Blood Substit Immobil Biotechnol. 2004; 32 (3): 463– 484. doi: 10.1081/bio-200027524.

26. Tara S, Kurobe H, Rocco KA, Maxfield MW, Best CA, Yi T et al. Well-organized neointima of large-pore poly(L-lactic acid) vascular graft coated with poly(Llactic-co-ε-caprolactone) prevents calcific deposition compared to small-pore electrospun poly(L-lactic acid) graft in a mouse aortic implantation model. Atherosclerosis. 2014; 237 (2): 684–691. doi: 10.1016/j.atherosclerosis.2014.09.030.