Композитные тканеинженерные 3D-конструкции как донорский материал в реконструктивной хирургии мягких тканей: характеристика и современное состояние проблемы
Журнал: Пластическая хирургия и эстетическая медицина. 2025;(4): 97‑109
Прочитано: 179 раз
Как цитировать:
Пластическая хирургия как научная дисциплина, исторически объектом изучения которой является изучение, создание и последующее применение в рутинной практике эффективных методов лечения дефектов и деформаций различной анатомической сложности и локализации [1], всегда была дисциплиной инноваций. С развитием тренда междисциплинарной коллаборации перед исследователями открылись возможности по взаимодополнению специфических компетенций с целью создания инноваций, объединяющих знания и практический подход нескольких дисциплин. К числу подобных инноваций относится тканевая инженерия. Примером продукта тканевой инженерии является ацеллюлярный дермальный матрикс, на настоящий момент используемый в качестве вспомогательного донорского материала в пластической хирургии молочной железы, передней брюшной стенки и при лечении различных дефектов мягких тканей различной этиологии [2]. Универсальность применения и возможные перспективы развития спровоцировали повышенный интерес к данному направлению, что привело к дальнейшему развитию тканевой инженерии и активной коллаборации специалистов на стыке фундаментальных и клинических дисциплин. Текущим этапом развития является создание трехмерных конструкций — скаффолдов (от англ. scaffold — каркас), синтезированных в лабораторных условиях, способных обеспечивать жизнедеятельность детерминированных клеточных линий [3]. Трехмерность обеспечивает ряд преимуществ [4], которые позволяют не только использовать скаффолды как терапевтическое средство заживления ран с адекватным профилем взаимодействия на уровне микроорганизма и макроорганизма, но и создавать конструкции со сложной геометрией, потенциально способные являться средством радикального лечения дефектов тканей у пораженных пациентов per se [4].
Сложность создания подобного типа конструкций обусловлена не только требованиями к специфическим свойствам биодеградируемости, биосовместимости и к уровню цитотоксичности готового продукта с функцией обеспечения жизнедеятельности внедренных и нативных клеточных линий [5], но и требуемыми механическими, биологическими, химическими и физическими характеристиками, определяемыми типом замещаемой ткани [5, 6].
В настоящее время материалами для создания скаффолдов являются представители трех групп [6]: 1) полимеры, 2) металлы, 3) керамика. Соответственно, материалы из каждой группы обладают как полезными, так и нежелательными характеристиками для готовой конструкции [6]. Создание и использование комбинации материалов — композитов с уникальными свойствами является перспективным направлением исследований ввиду перспективы создания скаффолда с характеристиками, оптимально соответствующими решению вышеописанной задачи [7].
В процессе дизайна возможно создание продукта со специфической особенностью воздействия на реципиентную среду — функционализация скаффолда [8]. Создание скаффолдов с вышеуказанными параметрами получило наибольшее распространение при описании методов тканевой инженерии костной ткани [8], однако аналогичный подход целесообразен и применим и для дефектов мягких тканей [9]: если принять во внимание положительный тренд на травматизм в сочетании с прогрессивным ростом населения и данными о частоте поражения хроническими ранами в диапазоне 1—2% от современной человеческой популяции [10], то становится очевидным, что выполнение исследований в данном направлении представляет собой актуальную задачу.
Обзор литературы, касающейся современного статуса разработки композитных тканеинженерных скаффолдов, с оценкой имеющихся данных о возможностях функционализации позволит сформировать траекторию дальнейших исследований в данном направлении.
Выполнен поиск публикаций в базах PubMed, eLibrary, базе серой литературы Google Scholar по следующему поисковому запросу: (bioactive [Title/Abstract] OR composite[Title/Abstract] OR combined[Title/Abstract] OR impregnated[Title/Abstract] OR hybrid[Title/Abstract] OR multilayered[Title/Abstract] OR “tissue-engineering” [Title/Abstract]) AND (degrad*[Title/Abstract] OR biodegrad*[Title/Abstract] OR absorb*[Title/Abstract]) AND (3D[Title/Abstract] OR “three-dimensional”[Title/Abstract] OR multidimensional[Title/Abstract]) AND (scaffold*[Title/Abstract] OR scaffolds[Title/Abstract] OR “tissue-engineered scaffold*”[Title/Abstract] OR “bio-engineered scaffold*”[Title/Abstract] OR “tissue scaffold*”[Title/Abstract] OR matri*[Title/Abstract] OR “tissue matri*”[Title/Abstract]) AND (compound[Text Word] OR composite[Text Word] OR complex[Text Word] OR “full thickness”[Text Word]) NOT bone NOT ligament AND (defect*[Text Word] OR trauma[Text Word] OR injur*[Text Word] OR damage[Text Word] OR deform*[Text Word] OR wound*[Text Word] OR wounds*[Text Word]) AND (reconstruct*[Text Word] OR “plastic surg*”[Text Word] OR healing[Text Word] OR “reconstructive surgery*”[Text Word] OR repair*[Text Word] OR treatment*[Text Word]) NOT (Review[Publication Type]).
Аналогичные поисковые запросы выполнены в других базах данных. Запрос в eLibrary выполнен на русском языке с учетом морфологии и похожего текста в титуле, абстракте, ключевых слов: (биоактив* или композит* или комбин* или пропитан* или гибрид*или многослойный или «ткане* инженерн*) и (разлагаем* или биоразлагаем* или абсорбируем*) и (3D или трехмерн* или многомерн*) и (скаффолд* или скаффолды* или «тканеинженерн* скаффолд*» или «биоинженерн* скаффолд*» или «тканев* скаффолд*» или матриц* или «тканев* матриц*»).
В полученных результатах выполнен поиск в титуле, абстракте, ключевых словах, с учетом морфологии, с учетом похожего текста: (сочетанн* или композит* или комплексн* или полнослойн*) не кост* не связк* и (дефект* или травм* или поврежден* или урон или деформац* или ранени* или ран*) и (реконструкция или «пластическая хирургия» или лечен* или «реконструктивн* хирурги*» или закрытие или устранение).
Суммарно получено 234 результата в трех базах.
Критерии включения:
— исследование, описывающее производство, оценку, применение скаффолда на основе композита в эксперименте in vitro и/или in vivo с целью получения тканеинженерной конструкции;
— публикации на русском и английском языках;
— давность публикации — 5 лет;
Критерии исключения:
— обзорный характер публикации;
— публикации с недоступным полным текстом исследования;
После скрининга титула и абстрактов, применения критериев и удаления дубликатов получено: 40 публикаций.
Из полного текста публикаций извлечены данные о виде материалов композита, методах производства скаффолдов, типе функционализации и функционализирующем агенте, размере пор, пористости, контактном угле смачивания, прочности, сроках деградации in vitro, используемых в эксперименте клеточных линиях и показателях их жизнедеятельности in vitro и моделях эксперимента in vivo, описывающего эффективность по сравнению с контролем.
В исследованиях на этапе in vitro в качестве материала использовались представители группы полимеров в основе состава композитов [11—26]. В 4 случаях — это композит природного и синтетического полимера, в 1 случае — трех природных полимеров, в 1 случае — двух синтетических полимеров и металла, в 3 случаях — двух природных полимеров, в 1 случае — композит полимера, металла и керамики, в 1 случае — двух полимеров и керамики, в 1 случае — двух природных полимеров и синтетического полимера. В одном случае материал представлял собой природный композит, содержащий природные полимеры коллагена I, III и IV типов [21], что не противоречит критериям включения в обзор. Наименования материалов приведены в табл. 1.
Таблица 1. Данные о разработке скаффолдов на этапе in vitro
| Первый автор (год) [ссылка] | Материал | Функционализация | Модификации | Метод создания скаффолда | Морфологическая характеристика | Клеточная линия | Результат | Потенциальное клиническое применение |
| M. Zehra и соавт. (2020) [14] | Эластин/хитозан/альгинат натрия | Внедрение в состав биоактивного вещества | Ибупрофен (Sigma Aldrich) был загружен в трех различных концентрациях: 10%, 15% и 20% | Термическое гелеобразование (криотропное) | Диапазон размера пор 0,085—256 μm, остаток массы 56,2 ±1,64% при концентрации ибупрофена 20% | Мезенхимальные стволовые клетки крысы, нет данных о значимом цитотоксическом эффекте | ILM-20 продемонстрировал устойчивое высвобождение препарата и наибольшую пористость и наибольшую скорость пролиферации | Вспомогательное средство для ускоренного заживления раны in vivo |
| Y. He и соавт. (2020) [16] | Рекомбинантный коллаген человека/гиалуроновая кислота | Внедрение в состав биоактивного вещества | рКОЛ — контроль рКОЛ/0% ГК рКОЛ/2,5% ГК рКОЛ/5% ГК рКОЛ/10% ГК | Лиофилизация, кросслинкинг с использованием 1-этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимида гидрохлорида, повторная лиофилизация | Средний размер пор 150—250 μm, пористость: рКОЛ/0% ГК 94,1±4,3, рКОЛ/2,5% ГК 95,3±2,9, рКОЛ/5% ГК 93,4±3,7, рКОЛ/10% ГК 91,3±3,1, достигли показателя 2,5 N/mm2 при тестировании на растяжение | L929-фибробласты мыши, цитотоксичность 1-го уровня, схожие показатели миграции клеток между рКОЛ и рКОЛ/5% ГК | рКОЛ/ГК 2,5% показал устойчивость к деградации коллагеназой, устойчивость и долгосрочность хранения, повышение абсорбционных свойств | Потенциально долгосрочное перевязочное средство для хронических ран, требуется коррекция доз компонентов |
| J. Radwan-Pragłowska и соавт. (2020) [17] | Полилактид/хитозан | Внедрение в состав биоактивного вещества | Питательная среда — контроль CS-PLA-30 CS-PLA-35 CS-PLA-30-Fe3O4 CS-PLA-35-Fe3O4 CS-PLA-30-ZnO CS-PLA-35-ZnO CS-PLA-30-Au CS-PLA-35-Au | Комбинация лиофилизации и электроспиннинга | Средний размер пор 300 μm, предел прочности ~4 MPa, модуль Юнга ~35—40 MPa, деградация за 30 дней до 64% массы | L929-фибробласты мыши, дермальные фибробласты человека, цитотоксичность отсутствует | Повышение электропроводности в образцах с наночастицами Au, повышение активности пролиферации фибробластов при воздействии тока | Возможность применения с физиотерапевтической модальностью — электрофорезом для улучшения заживления раны |
| D. Du и соавт. (2021) [23] | Желатин/гидроксифенил пропионовая кислота | Внедрение в состав биоактивного вещества | Матрица 2 wt% Gtn-HPA, сферы 8 wt% Gtn-HPA Матрица 2 wt% Gtn-HPA, сферы 8 wt% Gtn-HPA+PDGF-BB Матрица 2 wt% Gtn-HPA+PDGF-BB, сферы 8 wt% Gtn-HPA | Формирование гелевых сфер на супергидрофобном субстрате, перенос в гелевую матрицу | Деградация ~40 ч, модуль сжатия 8—57,5 kPa | Мезенхимальные стволовые клетки | Замедленный рост в клеточной среде с повышенной концентрацией полимера | Потенциально негативное явление in vivo |
| D.G. O’Shea и соавт. (2023) [26] | Метакриловый ангидрид гиалуроновой кислоты/ коллаген крупного рогатого скота I, II типов или комбинации (МГК/Кол+) | Внедрение в состав клеточной линии | MeHA-Col I MeHA-Col I/Col II MeHA-Col II | Лиофилизация, термическое гелеобразование | Модуль Юнга MeHA-Col I <15 kPa, полная деградация на 14-е сутки | Мезенхимальные стволовые клетки, отсутствует сравнение с контролем | Признаки дифференцировки в планируемый тип хрящевой ткани MeHA-Col II | Возможность получения хрящевой ткани без травмы классических донорских участков |
Примечание. рКОЛ — рекомбинантный коллаген человека; ГК — гиалуроновая кислота; МГК — метакриловый ангидрид гиалуроновой кислоты; Кол — коллаген.
Наиболее распространенными методами получения готового продукта являлись: термическое гелеобразование (3 источника) [11, 14, 22], 3D-печать (4 источника) [12, 13, 15, 25] и комбинации методов (6 источников) [16, 17, 19—21, 26]. Временного тренда на использование определенного метода не отмечается. В процессе производства характеристики скаффолдов подвергались качественной и количественной оценке, однако используемые методы оценки и параметры отличаются значительной гетерогенностью между исследованиями. Причина данного явления, как предполагается, в том, что часть исследований являлась «доказательством концепции», и, вероятно, методы и характеристика материала будут подвергнуты авторами реитерации.
К числу характеристик готового продукта, имеющих приоритетное значение для функции управления жизнедеятельностью клеток, относятся общепринятые в конструкции скаффолдов пористость [27, 28], размер пор [28], краевой угол смачивания [29], прочность [30], уровень цитотоксичности [31].
Данная характеристика определяет потенциал осуществления жизнедеятельности клеток в условиях скаффолда, взаимодействие механизмов заживления ран реципиентной зоны и предел прочности скаффолда.
Широкий диапазон полученных значений параметра пористости скаффолда (45±2%—95,3±2,9%) показал адекватную пористость для обеспечения жизнедеятельности клеточных линий в экспериментах [12, 16, 18, 20], что соответствует требованиям для конструкций, несущих клеточные линии фибробластного типа, которые позволяют осуществлять инфильтрацию и пролиферацию однородно в 3D-структуре [28]. Низкие значения показателя предела прочности соответствуют скаффолдам с включением в состав гиалуроновой кислоты — с обратной корреляцией предела прочности с повышением концентрации гиалуроновой кислоты (см. табл. 1).
Данный показатель имеет ключевое значение ввиду двух факторов. Больший размер пор увеличивает потенциальную впитывающую способность скаффолда [32] и является специфичной величиной при осуществлении тканевой инженерии с использованием клеточных линий [32]. На настоящий момент оптимальным для кожного покрова признан размер пор в диапазоне 25—330 μm (средний размер 125±25 μm) [28, 33]. Данный показатель соответствует полученным данным из описаний процесса оценки скаффолдов. Однородность распределения пор как качественная характеристика была признана исследователями как положительная [22, 25], вне зависимости от используемого метода или материала.
В целом для тканевой инженерии с использованием клеток дермального типа или кератиноцитов применялись скаффолды с незначительными отклонениями показателя среднего диаметра пор — с удовлетворительными результатами (см. табл. 1). При этом использование метода 3D-печати и электроспиннинга позволяет получить скаффолд с детерминированными заранее физическими показателями, в большей степени контролируемыми с использованием специализированного программного обеспечения при 3D-печати скаффолда [34].
Стоит отметить, что, несмотря на однородность показателя размера пор в исследованиях с включением в состав гиалуроновой кислоты, результаты оценки показателей клеточной жизнедеятельности показали негативное влияние гиалуроновой кислоты на миграцию и инфильтрацию дермальных фибробластов, несмотря на размер пор, находящийся в пределах диапазона. Подобное явление также наблюдалось при концентрации коллагена выше 11 мг/мл [21].
Классической концепцией создания скаффолда является создание конструкции с характеристиками, имитирующими замещаемую ткань, в данном разделе — прочностью и растяжимостью [30]. В исследованиях с участием клеточных линий, применимых для тканевой инженерии кожи, показатели прочности представлены модулем Юнга или результатами теста на предел прочности на растяжение [35]. Соответствующими характеристиками для кожи является предел прочности на растяжение 27,2±9,3 MPa и модуль Юнга в диапазоне 4,6—20,0 MPa, однако модуль был описан и на уровне 0,135 MPa (135 kPa) в зависимости от метода измерения [36]. Теоретически использование материала с меньшей молекулярной массой или концентрацией позволит манипулировать данными показателями. Стоит отметить, что данный показатель остается спорным ввиду того, что данные экспериментов in vitro свидетельствуют о достаточном уровне жизнедеятельности клеточных линий в скаффолдах с супрафизиологическими и субфизиологическими показателями прочности конструкции (см. табл. 1), что делает перспективным их изучение в эксперименте in vivo.
Данный показатель важен для изучения характеристики гидрофильности поверхности скаффолда. Величина показателя 90° характеризует переход от гидрофильной (менее 90°) к гидрофобной (более 90°) и супергидрофобной (более 140°) характеристики поверхности. Данный показатель находится в обратной зависимости от пористости и шероховатости поверхности [25]. Дополнительно гидрофильность композита возрастает при увеличении концентрации гидрофильного полимера в составе [16]. Таким образом, при нарастании концентрации нанокристаллов целлюлозы возрастает контактный угол смачивания (78,2±6,7° и 74,7±2,3°) против нативного скаффолда (98,1±4,6°), что является преимуществом композитного строения скаффолда — при использовании композитного материала на основе комбинации гидрофильного и гидрофобного элементов [25].
Уровень цитотоксичности у большинства обозреваемых композитов соответствовал 0-му уровню по ИСО 10993-5-2011 в трех случаях выявленного токсического воздействия на клеточную линию, которое было обусловлено типом кросслинкера (полиэтиламин), воздействием производных функционализирующего компонента скаффолда при его определенной концентрации (AgNO3 в концентрации более 5%) или особенностями химического состава функционализирующего компонента (SC). Авторами данных исследований отмечены причинно-следственные связи данного явления [13, 15, 24], что позволит оптимизировать разработку скаффолдов с данными компонентами в будущем.
В процессе изучения жизнеспособности клеточных линий выявлены противоречивые сведения относительно данной характеристики при включении в состав композита гиалуроновой кислоты [16, 19, 26]. Цитотоксическое действие гиалуроновой кислоты ранее описано в литературе [37], однако оно обладает зависимой от концентрации и молекулярной массы выраженностью. В исследованиях применялась гиалуроновая кислота как с низкой, так и с высокой молекулярной массой, при этом были получены данные о явлении цитотоксичности 1-го типа при использовании гиалуроновой кислоты с низкой молекулярной массой и отсутствуют сведения о значимой цитотоксичности гиалуроновой кислоты с высокой молекулярной массой, что, однако, может быть связано с дизайном получения скаффолда [16, 19, 26].
В эксперименте с создание композита с содержанием градиентных сфер полиэтиленгликоля (ПЭГ) с целью тканевой инженерии мышечной ткани отмечается интенсивная миграция клеток к сферам с большей концентраций ПЭГ [13]. Данное явление обусловлено активацией Rho-АТФаза-зависимого механизма. Аналогичное явление отмечается в исследовании с применением градиентного ксеногенного матрикса — с изменением характера распределения клеток в зависимости от концентрации материала [13]. Данное явление представляет интерес при формировании скаффолдов с элементами различной плотности как средство контроля инфильтрации клеток. Химическая модификация ПЭГ является теоретически перспективным, но на настоящий момент неоптимальным методом выбора для получения материала для тканевой инженерии с использованием скаффолд-технологий ввиду неоптимального соответствия ключевым параметрам, описанным выше.
Значительным ограничением использования ксеногенного материала в изучаемых работах помимо необходимости выполнения децеллюляризации являются необходимость контроля за содержанием дезоксирибонуклеиновой кислоты в материале для скаффолда и неудовлетворительные морфологические характеристики, требующие создания композита, что значительно повышает стоимость производства. Несмотря на это, материал имеет состав, приближенный по характеристикам к нативному экстрацеллюлярному (внеклеточному) матриксу (далее — ЭЦМ), что обуславливает интерес исследователей к нему и преимущества использования данного материала [21], подтверждение его положительных свойств при создании композита более подробно будет изложено в эксперименте in vivo.
В большинстве исследований, описывающих этап in vivo в качестве материала для композитов, аналогично доминирует использование представителей группы полимеров в составе основы для композитов [38—60]. Преимущественно это: в 5 случаях — альгинат натрия, в 4 случаях — хитозан, в 9 случаях — желатин (табл. 2). Частота их применения на этапе in vivo в целом отражает таковую, описанную ранее в тексте на этапе in vitro. Композиты на основе полимеров полимолочной кислоты (3 случая) и целлюлозы (1 случай) применялись реже. Данную тенденцию обуславливают не только подробно изученные свойства полимеров [38, 50, 55], но, вероятно, и экономические факторы.
Таблица 2. Данные о разработке скаффолдов на этапе in vivo
| Первый автор (год) [ссылка] | Материал | Функционализация | Модификации | Метод создания скаффолда | Морфологическая характеристика | Клеточная линия | Модель эксперимента | Результат |
| L. Ming и соавт. (2018) [38] | Полимолочная кислота/желатин | Внедрение в состав биоактивного вещества | Ресвератрол в концентрации 57,14 μmol/L, 114,28 μmol/L, 200 μmol/L | Электроспиннинг, лиофилизация | Плотность 92,68 mg/cm3 | Хондроциты крысы Sprague Dawley | Крысы Sprague Dawley, модель дефекта хрящевой и поверхностной костной ткани мыщелка бедра | Скаффолды показали лучшее заживление дефекта, содержание ресвератрола 114,28 lmol/L показало лучшие результаты in vivo |
| M. Shahriari-Khalaji (2023) [39] | Хитозан/альгинат | Внедрение в состав биоактивного вещества | Хитозан/ альгинат с/без биоактивных молекул флурбипрофена | Лиофилизация | Средний размер пор Alg-CS-Flu ~80 μm, краевой угол смачивания Alg-CS-Flu 37°, модуль Юнга не превышает 250 kPa, предел прочности 20 kPa | L929-фибробласты мыши, отсутствие цитотоксичности | Подкожная имплантация, мышь, скаффолд сохранен на 7-е сутки | Снижение активности воспалительного ответа с биоактивными молекулами |
| С.В. Чеботарев и соавт. (2020) [40] | Децеллюляризованный материал | Отсутствует | Отсутствуют | Лиофилизация, ферментативное гелеобразование | Не описано | Не описано | Модель дефекта хрящевой и поверхностной костной ткани мыщелка бедра кролика, биосовместимость материала | Уменьшение диаметра и глубины дефекта на 8-й неделе |
| R.V. Badhe и соавт. (2021) [45] | Полианилин/хитозан | Внедрение в состав биоактивного вещества, электропроводность скаффолда | Отсутствуют | Лиофилизация | Полная деградация в течение 4 нед | Стволовые клетки пульпы зуба | Крысы Wistar, модель полнослойного дефекта кожного покрова, рубцовая ткань отсутствует | Усиление пролиферации клеток при использовании электрического тока in vitro и in vivo, ускорение заживления при использовании электропроводного скаффолда |
| В.М. Свистушкин и соавт. (2020) [48] | Коллаген | Внедрение в состав биоактивного вещества | Коллаген/NaCl 0,9% — контроль, коллаген/bFGF | Не описано | Не описано | Не использовалась | Модель стойкой перфорации барабанной перепонки у шиншилл, имеющиеся данные позволяют сделать вывод о рубцовом характере восстановления дефекта | Устранение дефекта на 14-е сутки |
| L. Siebert и соавт. (2021) [51] | Желатин метакрилоил (GelMa) | Внедрение в состав двух биоактивных веществ | 1% t-ZnO 3% t-ZnO | Лиофилизация, 3D-печать | Модуль Юнга 1% t-ZnO ~0,5 MPa, 3% t-ZnO ~0,85 MPa, деградация за 24 ч (остаточная масса) 1% t-ZnO 70% | HUVEC C2C12 | SKH-1 мыши, подкожная имплантация (4 нед) и модель полнослойной раны кожи | Материал частично сохранен in vivo, 1% t-ZnO в комбинации с VEGF усиливает противовоспалительную реакцию, ангиогенез и пролиферацию клеток |
Свойства биосовместимости, биоразлагаемости, нетоксичности, положительного влияния на заживление ран хитозана, в частности, является примером подробно изученного материала [39]. Композиты на его основе включали хитозан/альгинат, хитозан/полианилин, хитозан/коллаген, хитозан/альгинат — катехол. Композит хитозан/коллаген применялся в скаффолде для устранения дефекта специализированной области — полнослойного краевого тарзоконъюнктивального дефекта верхнего века [43], остальные — для тканевой инженерии дефектов мягких тканей (см. табл. 2).
Композит хитозан/альгинат полученный в ходе двухэтапного процесса кросслинкинга и лиофилизации, получил однородную характеристику пор (средний диаметр 80 μm) и подходящие по критериям гидрофильные свойства поверхности. В состав скаффолда в ходе производства внедрены биоактивные молекулы флурбипрофена, последний не показал значимого цитотоксического действия in vitro [39]. Характеристики скаффолда и показатели жизнедеятельности использованной клеточной линии L929-фибробластов мыши в целом удовлетворяют требованиям к подобного вида конструкциям, размер пор и полученный модуль Юнга приводят к выводу об оптимальном применении данного скаффолда в качестве несущей конструкции для тканевой инженерии хрящевой ткани [7].
Эксперимент с использованием композита хитозан/полианилин спроектирован для проверки свойств электропроводности полианилина и изучения его воздействия на заживление кожного дефекта in vivo [45]. Полученный скаффолд помимо функции электропроводности имел в своем составе биоактивные молекулы витамина D. Каждое из этих свойств подверглось изучению воздействия на клеточную линию на этапе in vitro. В данном композите отмечается активность выделения молекул витамина D за 48 ч, что ограничивает теоретическую эффективность клинического применения данной биомолекулы острыми ранами. Применение электрического тока с силой 1 А ускорило заживление полнослойного дефекта кожи in vivo приблизительно в 2 раза по сравнению с контролем. Несмотря на хорошие результаты in vivo, значимой проблемой остаются данные о неразлагаемости полианилина, что в отсутствие биоразлагаемых электропроводных альтернатив ограничивает применение данного композита для создания скаффолдов [45].
Хитозан/альгинат — катехол относительно сложен в производстве ввиду необходимости синтеза компонентов скаффолда в определенной геометрической форме и последовательности с комбинацией методов электроспиннинга и 3D-печати [39]. Преимуществами данного композита является включение в его состав аутологичного фибринового геля, полученного в ходе стандартной процедуры, в качестве компонента, а также полученные механические характеристики: относительное удлинение при разрыве 84%, модуль Юнга 1,06 MPa, полученный средний диаметр пор 63±10,16 μm. В качестве биоактивного компонента в его состав внедрены молекулы галлия для обеспечения антибактериальной активности. Ввиду большего объема композита в гидрофильной части (краевой угол смачивания 29±4°), чем в гидрофобной, состоящей из волокон поликапролактона части (краевой угол смачивания 97±5°), концентрация галлия для достижения определяемого антибактериального эффекта была выше и оптимизирована для исключения явления цитотоксичности. В эксперименте функционализированный скаффолд продемонстрировал эффективность заживления ожоговой раны по сравнению с контролем (12 дней против 20 дней) [39].
Композит хитозан/коллаген являлся мягкой частью бифазного скаффолда в комбинации с более жесткой опорой из композита ППФ/ХЕМА в эксперименте устранения полнослойного краевого тарзоконъюнктивального дефекта верхнего века. Создание жесткой части скаффолда потребовало применения метода выщелачивания порогена (в данном случае — желатина) и последующих двух этапов лиофилизации для получения продукта требуемого механического качества и толщины. В ходе эксперимента оптимизация содержания композита хитозан/коллаген положительно коррелировала с толщиной продукта [39]. В процессе производства получено три скаффолда с градиентом данного показателя. В ходе эксперимента выявлено, что оптимальное заживление в модели дефекта задней ламеллы происходит при применении скаффолда со средней толщиной 466,38±69,78 μm. Вероятно, данная особенность является частным случаем, характерным для высокоспециализированной области века, однако авторами не описана точная толщина дефекта.
Композиты желатина представляют собой перспективный материал для 3D-печати. Для получения биочернил с адекватными характеристиками обеспечения жизнедеятельности клеток желатин комбинировался с материалами повышенной жесткости или подвергался химической модификации с получением GelMa [51, 55, 58, 59]. Оба варианта позволяют получить биочернила, совместимые с несколькими клеточными линиями, в том числе с мезенхимальными стволовыми клетками, наиболее часто полученными из жировой ткани животного или человеческого происхождения. Жировая ткань помимо источника клеточных линий является потенциальным источником ЭЦМ [61]. Скаффолды, содержащие данный биоматериал, показали более высокую скорость деградации под действием коллагеназы, имеющую дозозависимый характер, однако данное обстоятельство незначительно повлияло на заживление дефектов в различных моделях in vivo [54, 56, 58]. Данное явление связано с содержанием элементов ЭЦМ, которые значимо усиливали ангиогенез по данным CD31-иммуногистохимического исследования по сравнению с соответствующим контролем и усиливали синтез коллагена III типа [56]. Схожее влияние на ангиогенез показало внедрение в состав скаффолда биоактивных молекул факторов роста, однако данные, позволяющие судить о сравнительной эффективности указанных компонентов изолированно, недостаточны. Также компоненты ЭЦМ дозозависимо увеличивали модуль Юнга у скаффолдов с его содержанием, например, 5% ЭЦМ Alg/Gel в сравнении с контролем (0% ЭЦМ): 2,159±4,82 MPa против 0,415±2,63 MPa (см. табл. 2).
Функционализированный вариант биочернил получен на основе композита GelMa/гиалуроновой кислоты/фибрина с внедрением в состав биочернил клеток HUVEC и дермальных фибробластов человека. Под воздействием слабой кинетической силы в 1 мН в ходе эксперимента in vitro в полученном с использованием 3D-печати скаффолде сформировалась сосудистая сеть, in vivo осуществившая контакт с сосудами реципиентной зоны по данным CD31-иммуногистохимического исследования [55]. На настоящий момент применение данного скаффолда ограниченно ввиду его слабых механических свойств (модуль Юнга 1,5 kPa), однако этот эксперимент показал доступность подобной концепции, что является очередной вехой к созданию «умных» тканеинженерных конструкций.
В эксперименте с применением композита желатин/полиглицерол себакат представлен интересный метод контроля качества восстановленной ткани после выведения животных из эксперимента. Согласно результатам, модуль Юнга показал прирост в связи с клеточной инфильтрацией и процессами ранозаживления in vivo: 1,85±0,12 MPa (1-я неделя) против 2,59±0,13 MPa (4-я неделя). Применение данного метода позволяет актуализировать требования к механическим характеристикам скаффолдов [60].
В исследованиях с использованием альгината натрия описан композит альгинат/карбоксиметилцеллюлоза, подходящий по характеристикам для осуществления 3D-биопечати, с оптимальным соотношением компонентов композита, in vivo показавший сравнимую гистологически эффективность с аутологичным кожным трансплантатом [53].
Относительно новым методом функционализации стало создание сфероидных структур из мезенхимальных стволовых клеток, заключенных в оболочку из альгината натрия с целью удлинения срока жизнедеятельности клеточных линий и создания депо факторов роста. Данная теория подтвердилась на этапе in vitro. Статистически значимое увеличение числа жизнеспособных клеток по сравнению с контролем — 92,8% против 78,3% — отмечалось на 12-е сутки культивирования. Применение данного скаффолда in vivo продемонстрировало эпителизацию полнослойного дефекта кожного покрова на 14-е сутки [44].
Внедрение клеточных линий мезенхимальных стволовых клеток показало повышенную эффективность заживления ран по сравнению с контролем, что является очередным подтверждением потенциальной клинической эффективности тканеинженерных конструкций [42, 44, 47].
Экспериментальный характер исследований не позволяет провести прямого сравнения эффективности применения определенного метода или материала для создания композитного скаффолда.
Гетерогенный характер оценки скаффолдов потенциально снижает точность количественной оценки.
Ограниченность доступа к международным базам данных по независящим от исследователей экономическим и политическим причинам потенциально снижает объем выборки.
На настоящий момент исследования в области композитных тканеинженерных конструкций сосредоточены на поиске материала, обеспечивающего требуемые характеристики скаффолда в сочетании с удобством модификации. Наиболее изученными и универсальными представляются композиты с содержанием полимеров хитозана и модифицированного желатина. С точки зрения методов производства хитозан представляет собой более экономически приемлемый вариант, желатин, в свою очередь универсален для осуществления химической, физической и функционализирующей модификации с последующим осуществлением 3D-печати. Функционализация с применением наночастиц как транспортного агента для биоактивных веществ приобретает значительное распространение в фундаментальных исследованиях. Биоактивные вещества из группы факторов роста показали значительно лучшие результаты in vivo в сравнении с аналогичными контролями. Функция электропроводности показала перспективные результаты стимуляции клеточной жизнедеятельности in vitro и in vivo. Взаимодействие клеточной линии мезенхимальных стволовых клеток в подобных условиях требует дополнительного изучения.
Перспективным вектором разработок является объединение компонентов, обладающих несколькими биоактивными свойствами, таких как наночастицы золота, платины, элементы экстрацеллюлярного матрикса, с целью создания в конечном итоге нового индивидуального медицинского изделия на основе композита с широко изученными свойствами, которые с учетом полученных данных могут быть подвергнуты дополнительной физико-химической настройке.
При создании композита следует планировать подробную физическую, реологическую, биологическую оценку. На настоящий момент объем оценки и оцениваемые показатели обладают значительной гетерогенностью и в большинстве случаев композитные тканеинженерные конструкции обладают малой механической прочностью для тканевой инженерии кожного покрова или неподходящим сроком деградации. Требуется также изменить модель эксперимента ввиду значительных различий в свойствах кожного покрова грызунов и кожного покрова человека.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Funding. The study had no sponsorship.
Литература / References:
Подтверждение e-mail
На test@yandex.ru отправлено письмо со ссылкой для подтверждения e-mail. Перейдите по ссылке из письма, чтобы завершить регистрацию на сайте.
Подтверждение e-mail
Мы используем файлы cооkies для улучшения работы сайта. Оставаясь на нашем сайте, вы соглашаетесь с условиями использования файлов cооkies. Чтобы ознакомиться с нашими Положениями о конфиденциальности и об использовании файлов cookie, нажмите здесь.