СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТРЕХМЕРНОЙ НАНОСТРУКТУРЫ ПОРИСТЫХ БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ МАТРИКСОВ ИЗ РЕКОМБИНАНТНОГО СПИДРОИНА И ФИБРОИНА ШЕЛКА ДЛЯ РЕГЕНЕРАТИВНОЙ МЕДИЦИНЫ

Цель. Сравнение трехмерной наноструктуры пористых биосовместимых матриксов из фиброина шелка Bombyx mori и рекомбинантного спидроина rS1/9. Материалы и методы. Трехмерные пористые матриксы были получены методом выщелачивания. При сравнении биологических свойств показано, что адгезия и пролиферация мышиных фибробластов на двух видах матриксов различались незначительно. В сравнительных экспериментах in vivo показано, что регенерация костной ткани у крыс происходит быстрее при имплантации матриксов из рекомбинантного спидроина. С целью объяснения более высокой регенеративной активности матриксов из спидроина с помощью сканирующей зондовой нанотомографии была исследована трехмерная наноструктура матриксов, а также сообщаемость нанопор внутри матриксов. Результаты. Были обнаружены существенные отличия в плотности и объеме нанопор: в матриксах из rS1/9 интегральная плотность нанопор, зафиксированная в двухмерном атомно-силовом изображении, составляла 46 мкм–2, а степень пористости – 24%; в трехмерных структурах из фиброина шелка плотность нанопор и степень пористости были 2,4 мкм–2  и 0,5% соответственно. Трехмерная реконструкция системы нанопор и образованных ими кластеров в матриксах из rS1/9 показала, что объемная доля взаимосвязанных пор в перколяционных кластерах равна 35,3% от всего объема пор, что составляет 8,4% от общего объема матрикса. Выводы. Метод сканирующей зондовой нанотомографии позволяет получить уникальную информацию о топологии систем нанопор искусственных биоконструкций. При сравнительном анализе наноструктуры искусственных матриксов из регенерированного шелка и рекомбинантного спидроина, полученных методом выщелачивания, показано, что скэффолды из спидроина имеют более высокую интегральную плотность нанопор, степень пористости и объемную долю взаимосвязанных пор.

1. Manzano A, Monaghan M, Potrata B, Clayton M. The invisible issue of organ laundering. Transplantation. 2014; 98: 600–603. DOI: 10.1097/TP.0000000000000333.

2. van Uden S, Silva-Correia J, Correlo VM et al. Customtailored tissue engineered polycaprolactone scaffolds for total disc replacement. Biofabrication. 2015; 7: 015008. DOI: 10.1088/1758-5090/7/1/015008 (in press).

3. Balyura M, Gelfgat E, Ehrhart-Bornstein M et al. Transplantation of bovine adrenocortical cells encapsulated in alginate. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2015; 112: 2527–2532. DOI: 10.1073/pnas.1500242112.

4. An B, Tang-Schomer MD, Huang W He J, Jones JA, Lewis RV et al. Physical and biological regulation of neuron regenerative growth and network formation on recombinant dragline silks. Biomaterials. 2015; 48: 137–146. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2015.01.044.

5. Bogush VG, Sokolova OS, Davydova LI, Klinov DV, Sidoruk KV, Esipova NG et al. A novel model system for design of biomaterials based on recombinant analogs of spider silk proteins. Journal of neuroimmune pharmacology. 2009; 4: 17–27. DOI: 10.1007/s11481-008-9129-z.

6. Sheikh FA, Ju HW, Moon BM, Lee OJ, Kim JH, Park HJ et al. Hybrid scaffolds based on PLGA and silk for bone tissue engineering. Journal of tissue engineering and regenerative medicine. 2015. DOI: 10.1002/term.1989 (in press).

7. Luo Y, Shen H, Fang Y, Cao Y, Huang J, Zhang M et al. Enhanced proliferation and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells on graphene oxide-incorporated electrospun poly (lactic-co-glycolic acid) nanofibrous mats. ACS applied materials & interfaces. 2015. DOI: 10.1021/acsami.5b00862 (in press).

8. Carballo-Molina OA, Velasco I. Hydrogels as scaffolds and delivery systems to enhance axonal regeneration after injuries. Frontiers in cellular neuroscience. 2015; 9: 13. DOI: 10.3389/fncel.2015.00013 (in press).

9. Jeffries EM, Allen RA, Gao J, Pesce M, Wang Y. Highly elastic and suturable electrospun poly(glycerol sebacate) fibrous scaffolds. Acta biomaterialia. 2015. DOI: 10.1016/j.actbio.2015.02.005 (in press).

10. Gandhimathi C, Venugopal JR, Tham AY, Ramakrishna S, Kumar SD. Biomimetic hybrid nanofibrous substrates for mesenchymal stem cells differentiation into osteogenic cells. Materials science & engineering C. Materials for biological applications. 2015; 49: 776–785. DOI: 10.1016/j.msec.2015.01.075.

11. Campinez MD, Ferris C, de Paz MV, Aguilar-de-Leyva A, Galbis J, Caraballo I. A new biodegradable polythiourethane as controlled release matrix polymer. International journal of pharmaceutics. 2015; 480: 63–72. DOI: 10.1016/j.ijpharm.2015.01.011.

12. Niu Y, Li L, Chen KC, Chen F, Liu X, Ye J et al. Scaffolds from alternating block polyurethanes of poly(varepsiloncaprolactone) and poly(ethylene glycol) with stimulation and guidance of nerve growth and better nerve repair than autograft. Journal of biomedical materials research Part A. 2014. DOI: 10.1002/jbm.a.35372 (in press).

13. Moisenovich MM, Pustovalova OL, Arhipova AY, Vasiljeva TV, Sokolova OS, Bogush VG et al. In vitro and in vivo biocompatibility studies of a recombinant analogue of spidroin 1 scaffolds. Journal of biomedical materials research Part A. 2011; 96: 125–131. DOI: 10.1002/ jbm.a.32968.

14. Efimov AE, Tonevitsky AG, Dittrich M, Matsko NB. Atomic force microscope (AFM) combined with the ultramicrotome: a novel device for the serial section tomography and AFM/TEM complementary structural analysis of biological and polymer samples. Journal of Microscopy. 2007; 226 (3): 207–217. DOI: 10.1111/j.1365-2818.2007.01773.x.

15. Mochalov KE, Efim ov AE, Bobrovsky A, Agapov II, Chistyakov AA, Oleinikov VA et al. Combined Scanning Probe Nanotomography and Optical Microspectroscopy: A Correlative Technique for 3D Characterization of Nanomaterials, ACS Nano. 2013; 7 (10): 8953–8962. DOI: 10.1021/nn403448p.

16. Scher H, Zallen R. Critical density in percolation processes. J. Chem. Phys. 1970; 53: 3759–3761. DOI: 10.1063/1.1674565.

17. Hunt A, Ewing R. Percolation Theory for Flow in Porous Media, Lect. Notes Phys. Springer: Berlin Heidelberg, 2009; 771.

18. Wang Q, Chen Q, Yang Y, Shao Z. Effect of various dissolution systems on the molecular weight of regenerated silk fibroin. Biomacromolecules. 2013; 14: 285–289. DOI: 10.1021/bm301741q.

19. Sokolova OS, Bogush VG, Davydova LI, Polevova SV, Antonov SA, Neretina TV et al. The formation of a quaternary structure by recombinant analogs of spider silk proteins. Molecular Biology. 2010; 44: 150–157. DOI: 10.1134/S0026893310010188.

20. Агапов ИИ, Мойсенович ММ, Васильева ТВ, Пустовалова ОЛ, Коньков АС, Архипова АЮ и др. Биодеградируемые матриксы из регенерированного шелка bombix mori. Доклады Академии наук. 2010; 433 (5): 699–702. Agapov II, Moysenovich MM, Vasil'eva TV, Pustovalova OL, Kon'kov AS, Arhipova AYu et al. Biodegradiruemye matriksy iz regenerirovannogo shelka bombix mori. Doklady Akademii nauk. 2010; 433 (5): 699–702.

21. Биосовместимые материалы: Учебное пособие / Под. ред. В.И. Севастьянова, М.П. Кирпичникова. М.: Медицинское информационное агентство, 2011: 544. Biosovmestimye materialy: Uchebnoe posobie / Pod. red. V.I. Sevast'yanova, M.P. Kirpichnikova. M.: Medicinskoe informacionnoe agentstvo, 2011: 544