Влияние аллогенного и ксеногенного биоматериалов на морфофункциональный профиль макрофагов in vitro и in vivo

Актуальность. Определение биосовместимых свойств биотрансплантатов является актуальной проблемой для тканевой инженерии. Продукты их деградации вызывают различные клеточные реакции, влияющие на исход заживления. Макрофаги определяют биосовместимые свойства и эффективность процесса регенерации. Задачей исследования явилось выявление особенностей клеточного состава и репертуара макрофагов, обусловленного экзогенным аллогенным и ксеногенным матриксом. Цель: выявление морфофункционального профиля макрофагов in vitro и in vivo после алло- и ксенотрансплантации. Материалы и методы. In vitro моноциты донора культивировали 7 суток на подложке из губчатого и суспензии диспергированного аллогенных биоматериалов из серии «Аллоплант®», изготовленных из кадаверной ткани человека. In vivo беспородным крысам – самцам массой 200–250 г (n = 20) подкожно вводили суспензию (10 мг) диспергированного аллогенного биоматериала (ДАБ), изготовленного из сухожилий крыс и ксеногенного биоматериала (ДКБ) из сухожилий кролика. Спустя 7 и 14 суток иссекали зону трансплантата. Проводили морфологические исследования: гистологические, иммуногистохимические (VEGF-R1, CD206, CD86, TNF-α, CD163, TGF-β, CD68, FGF-1, MMP-9, TIMP-2, HLA-DR), сканирующую электронную микроскопию. Результаты. In vitro моноциты приобретали морфологию зрелых макрофагов с фенотипом CD68⁺, CD206⁺, VEGF-R⁺ и CD86^–, TGF-β^–, CD163^–, FGF-1^–, MMP-9^–, TIMP-2^–. In vivo ДАБ лизировался с высвобождением гликозаминогликанов (ГАГ), резорбировался, замещался без признаков инкапсуляции макрофагами фенотипов: М1 (CD86⁺) и М2 (CD206⁺ и CD163⁺), VEGF-R⁺ и TNF-α⁺. При этом они были TGF-β^– и HLA DR^– негативны. После введения ДКБ наблюдались признаки инкапсуляции биоматериала, гранулематозное воспаление, ГАГ не выявлялись. Макрофаги определялись с фенотипом M2 (CD206⁺), TGF-β⁺, HLA-DR⁺ и TNF-α^–, VEGF-R^–. Заключение. Видовая специфичность биоматериалов определяет фенотип макрофагов, клеточную реакцию и исход заживления. Аллобиоматериал резорбировался и замещался структурно полноценным регенератом. Макрофаги различных фенотипов – М1 и М2 – не проявляли антигенных и фиброгенных свойств, стимулировали ангиогенез. Ксенобиоматериал вызывал хроническое воспаление и инкапсуляцию. Выявлялись только М2-макрофаги с антигенными, фиброгенными свойствами.

1. Zhao P, Yang F, Jia X, Xiao Y, Hua Ch, Xing M, Lyu G. Extracellular Matrices as Bioactive Materials for In Situ Tissue Regeneration. Pharmaceutics. 2023; 15 (12): 2771. doi: 10.3390/pharmaceutics15122771.

2. Rezvani GE, Nourbakhsh N, Akbari KM, Zare M, Ramakrishna S. Collagen-based biomaterials for biomedical applications. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2021; 109 (12): 1986–1999. doi: 10.1002/jbm.b.34881.

3. Piatnitskaia S, Rafikova G, Bilyalov A, Chugunov S, Akhatov I, Pavlov V, Kzhyshkowska J. Modelling of macrophage responses to biomaterials in vitro: state-of-the-art and the need for the improvement. Front Immunol. 2024; 15: 1349461. doi: 10.3389/fimmu.2024.1349461.

4. Xia T, Zhang M, Lei W, Yang R, Fu Sh, Fan Z et al. Advances in the role of STAT3 in macrophage polarization. Front Immunol. 2023; 14: 1160719. doi: 10.3389/fimmu.2023.1160719.

5. Wadhonkar K, Singh Y, Rughetti A, Das S, Yangdol R, Sk MH, Baig MS. Role of cancer cell-derived exosomal glycoproteins in macrophage polarization. Mol Biol Rep. 2025; 52 (1): 451. doi: 10.1007/s11033-025-10535-x.

6. Douthwaite H, Arteagabeitia AB, Mukhopadhyay S. Differentiation of Human Induced Pluripotent Stem Cell into Macrophages. Bio Protocol. 2022; 12 (6): e4361. doi: 10.21769/BioProtoc.4361.

7. Yang Y, Liu H, Guo K, Yu Q, Zhao Y, Wang J et al. Extracellular Vesicles from Compression-Loaded Cementoblasts Promote the Tissue Repair Function of Macrophages. Adv Sci (Weinh). 2024; 11 (36): e2402529. doi: 10.1002/advs.202402529.

8. Peet C, Ivetic A, Bromage DI, Shah AM. Cardiac monocytes and macrophages after myocardial infarction. Cardiovasc Res. 2020; 116 (6): 1101–1112. doi: 10.1093/cvr/cvz336.

9. Cheng P, Li S, Chen H. Macrophages in Lung Injury, Repair, and Fibrosis. Cells. 2021; 10 (2): 436. doi: 10.3390/cells10020436.

10. AVMA Guidelines for the Euthanasia of Animals: 2020 Edition.

11. Волкова ОВ, Шахламов ВА, Миронов АА. Атлас сканирующей электронной микроскопии клеток, тканей, органов. М.: Медицина, 1987.

12. Maloney SE, Broberg CA, Grayton QE, Samantha LP, Hall HR, Wallet ShM et al. Role of Nitric Oxide-Releasing Glycosaminoglycans in Wound Healing. ACS Biomater Sci Eng. 2022; 8 (6): 2537–2552. doi: 10.1021/acsbiomaterials.2c00392.

13. Лебедева АИ. Регуляция паренхиматозно-стромальных взаимоотношений при коррекции дефектов скелетной мышцы аллогенным биоматериалом. Экспериментальная и клиническая дерматокосметология. 2014; 1: 51–56.

14. Ricard‑Blum S, Perez S. Glycosaminoglycan interaction networks and databases. Curr Opin Struct Biol. 2022; 74: 102355. doi: 10.1016/j.sbi.2022.102355.

15. Taieb M, Ghannoum D, Barré L, Ouzzine M. Xylosyltransferase I mediates the synthesis of proteoglycans with long glycosaminoglycan chains and controls chondrocyte hypertrophy and collagen fibers organization of in the growth plate. Cell Death Dis. 2023; 14 (6): 355. doi: 10.1038/s41419-023-05875-0.

16. Kawakami N, Nägerl UV, Odoardi F, Bonhoeffer T, Wekerle H, Flügel A. Live imaging of effector cell trafficking and autoantigen recognition within the unfolding autoimmune encephalomyelitis lesion. J Exp Med. 2005; 201 (11): 1805–1814. doi: 10.1084/jem.20050011.

17. Wynn TA, Chawla A, Pollard JW. Macrophage biology in development, homeostasis and disease. Nature. 2013; 496 (7446): 445–455. doi: 10.1038/nature12034.

18. Fang JY, Yang Z, Hu W, Hoang BX, Han B. Viscoelastic BH Hydrogel Modulates Phenotype of Macrophage-Derived Multinucleated Cells and Macrophage Differentiation in Foreign Body Reactions. J Biomed Mater Res A. 2025; 113 (1): e37814. doi: 10.1002/jbm.a.37814.

19. Tanneberger AM, Al‑Maawi S, Herrera‑Vizcaíno C, Orlowska A, Kubesch A, Sader R et al. Multinucleated giant cells within the in vivo implantation bed of a collagen-based biomaterial determine its degradation pattern. Clin Oral Investig. 2021; 25 (3): 859–873. doi: 10.1007/s00784-020-03373-7.

20. Lösslein AK, Lohrmann F, Scheuermann L, Gharun K, Neuber J, Kolter J et al. Monocyte progenitors give rise to multinucleated giant cells. Nat Commun. 2021; 12 (1): 2027. doi: 10.1038/s41467-021-22103-5.

21. Heppner FL, Ransohoff RM, Becher B. Immune attack: the role of inflammation in Alzheimer disease. Nat Rev Neurosci. 2015; 16 (6): 358–372. doi: 10.1038/nrn3880.

22. Wang RM, Johnson TD, He J, Rong Z, Wong M, Nigam V et al. Humanized mouse model for assessing the human immune response to xenogeneic and allogeneic decellularized biomaterials. Biomaterials. 2017; 129: 98–110. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.03.016.

23. Xu M, Su T, Jin X, Li Y, Yao Y, Liu K et al. Inflammation-mediated matrix remodeling of extracellular matrix-mimicking biomaterials in tissue engineering and regenerative medicine. Acta Biomater. 2022; 151: 106–117. doi: 10.1016/j.actbio.2022.08.015.

24. Sadtler K, Wolf MΤ, Ganguly S, Moad CA, Chung L, Majumdar S et al. Divergent immune responses to synthetic and biological scaffolds. Biomaterials. 2019; 192: 405–415. doi: 10.1016/j.biomaterials.2018.11.002.

25. Wolf MT, Ganguly S, Wang TL, Anderson CW, Sadtler K, Narain R et al. A biologic scaffold–associated type 2 immune microenvironment inhibits tumor formation and synergizes with checkpoint immunotherapy. Sci Transl Med. 2019; 11 (477): eaat7973. doi: 10.1126/scitranslmed.aat7973.

26. Friedemann M, Kalbitzer L, Franz S, Moeller S, Schnabelrauch M, Simon JC et al. Instructing Human Macrophage Polarization by Stiffness and Glycosaminoglycan Functionalization in 3D Collagen Networks. Adv Healthc Mater. 2017; 6 (7): 1600967. doi: 10.1002/adhm.201600967.

27. Badylak SF. Decellularized Allogeneic and Xenogeneic Tissue as a Bioscaffold for Regenerative Medicine: Factors that Influence the Host Response. Ann Biomed Eng. 2014; 42 (7): 1517–1527. doi: 10.1007/s10439-013-0963-7.

28. Londono R, Dziki JL, Haljasmaa E, Turner NJ, Leifer CA, Badylak SF. The effect of cell debris within biologic scaffolds upon the macrophage response. J Biomed Mater Res A. 2017; 105 (8): 2109–2118. doi: 10.1002/jbm.a.36055.

29. Tottey S, Johnson SA, Crapo PM, Reing JE, Zhang L, Jiang H et al. The effect of source animal age upon extracellular matrix scaffold properties. Biomaterials. 2011; 32 (1): 128–136. doi: 10.1016/j.biomaterials.2010.09.006.

30. de Souza RR.Aging of myocardial collagen. Biogerontology. 2002; 3 (6): 325–335. doi: 10.1023/a:1021312027486.

31. Keane TJ, DeWard A, Londono R, Saldin LT, Castleton AA, Carey L et al. Tissue-specific effects of esophageal extracellular matrix. Tissue Eng Part A. 2015; 21 (17–18): 2293–2300. doi: 10.1089/ten.TEA.2015.0322.

32. Hayes AJ, Melrose J. HS, An Ancient Molecular Recognition and Information Storage Glycosaminoglycan, Equips HS-Proteoglycans with Diverse Matrix and Cell-Interactive Properties Operative in Tissue Development and Tissue Function in Health and Disease. Int J Mol Sci. 2023; 24 (2): 1148. doi: 10.3390/ijms24021148.

33. Huleihel L, Bartolacci JG, Dziki JL, Vorobyov T, Arnold B, Scarritt ME et al. Matrix-Bound Nanovesicles Recapitulate Extracellular Matrix Effects on Macrophage Phenotype. Tissue Eng Part A. 2017; 23 (21–22): 1283–1294. doi: 10.1089/ten.TEA.2017.0102.

34. Ghatak S, Maytin EV, Mack JA, Hascall VC, Atanelishvili I, Rodriguez RM et al. Roles of Proteoglycans and Glycosaminoglycans in Wound Healing and Fibrosis. Int J Cell Biol. 2015; 2015: 834893. doi: 10.1155/2015/834893.