Octacalcium Phosphate Doped with Barium Cations for Application in Tissue Engineering

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

The objective of the study was to investigate the impact of barium cation doping on the phase and structural properties of octacalcium phosphate powder synthesized via a low-temperature method, along with its biocompatibility, particularly under in vitro circumstances that mimic inflammation. It was revealed that doping with Ba2+ cations in the concentration range used (1, 5 and 10 calculated %) does not interfere with the lowtemperature chemical transformation of DPCD and its transformation into OCP, however, the percentage of real substitution is at a maximum of 6.7 at.%. The results of in vitro studies confirm that the substitution of Ca2+ for Ba2+ in the structure of OCP does not affect its cytotoxic properties and all the studied variants of low-temperature OCP and its Ba-substituted variants at the recommended concentration of 1 mg/ml do not have a cytotoxic effect and are biocompatible. The effects revealed for OCP-Ba10, namely the absence of an effect on the content of lysosomes and ROS in human macrophages under normal conditions and a significant decrease in ROS production under inflammatory conditions, as well as a significant increase in the constitutive activation of T-lymphocytes, indicate that these processes are directly and dose-dependently associated with Ba2+ cations in the composition of OCP. The proposed approach of low-temperature chemical transformation of Ba2+-substituted variants of OCP is promising and is of interest for obtaining CPC materials with specified properties. The obtained Ba2+-substituted variants of OCP are safe and biocompatible, and the most effective variant of OCP with a maximum degree of Ca2+ substitution by Ba2+ 10% (OCP-Ba10) is bioactive and has potential antioxidant and immunomodulatory effects.

Sobre autores

I. Smirnov

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

P. Smirnova

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

A. Teterina

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

V. Minaichev

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia; Pushchino, Russia

M. Kobyakova

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia; Pushchino, Russia

P. Salynkin

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, Russia

A. Zvyagina

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, Russia

K. Pyatina

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia; Pushchino, Russia

E. Meshcheryakova

Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences

Pushchino, Russia

I. Fadeeva

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences; Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences

Email: is_fadeeva@mail.ru
Moscow, Russia; Pushchino, Russia

S. Barinov

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

V. Komlev

A.A. Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences

Moscow, Russia

Bibliografia

  1. Dorozhkin S. V. Calcium orthophosphate (CaPO4) containing composites for biomedical applications: Formulations, properties, and applications. J. Composites Sci., 8 (6), 218 (2024). doi: 10.3390/jcs8060218
  2. Минайчев В. В. Клеточные и тканевые аспекты биосовместимости кальций-фосфатных соединений, полученных низкотемпературным синтезом. Дис. … канд. биол. наук (ИТЭБ, Пущино, 2024).
  3. Kovrlija I., Locs J., and Loca D. Incorporation of barium ions into biomaterials: Dangerous liaison or potential revolution? Materials, 14 (19), 5772 (2021). doi: 10.3390/ma14195772
  4. Dorozhkin S. V. Calcium orthophosphate (CaPO4)based bioceramics: Preparation, properties, and applications. Coatings, 12 (10), 1380 (2022). doi: 10.3390/coatings12101380
  5. Pankratov A. S., Fadeeva I. S., Minaychev V. V., Kirsanova P. O., Senotov A. S., Yurasova Y. B., and Akatov V. S. A biointegration of micro- and nanocrystalline hydroxyapatite: problems and perspectives. Genes & Cells, 13 (3), 46–51 (2018). doi: 10.23868/201811032
  6. Takayanagi H., Ogasawara K., Hid, S., Chiba T., Murata S., Sato K., Takaoka A., Yokochi T., Oda H., Tanaka K., Nakamura K., and Taniguchi T. T-cell-mediated regulation of osteoclastogenesis by signalling crosstalk between RANKL and IFN-gamma. Nature, 408 (6812), 600–605 (2000). doi: 10.1038/35046102
  7. Okamoto K. and Takayanagi H. Osteoimmunology. Cold Spring Harbor Perspect. Med., 9 (1), a031245 (2019). doi: 10.1101/cshperspect.a031245
  8. Boanini E., Gazzano M., and Bigi A. Ionic substitutions in calcium phosphates synthesized at low temperature. Acta Biomater., 6 (6), 1882–1894 (2010). doi: 10.1016/j.actbio.2009.12.041
  9. Teterina A. Y., Smirnov I. V., Fadeeva I. S., Fadeev R. S., Smirnova P. V., Minaychev V. V., Kobyakova M. I., Fedotov A. Y., Barinov S. M., and Komlev V. S. Octacalcium phosphate for bone tissue engineering: Synthesis, modification, and in vitro biocompatibility assessment. Int. J. Mol. Sci., 22 (23), 1274 (2021). doi: 10.3390/ijms222312747
  10. Minaychev V. V., Smirnova P. V., Kobyakova M. I., Teterina A. Y., Smirnov I. V., Skirda V. D., Alexandrov A. S., Gafurov M. R., Shlykov M. A., Pyatina K. V., Senotov A. S., Salynkin P. S., Fadeev R. S., Komlev V. S., and Fadeeva I. S. Octacalcium phosphate for bone tissue engineering: synthesis, modification, and in vitro biocompatibility. assessment. Biomedicines, 12 (2), 263 (2024). doi: 10.3390/biomedicines12020263
  11. O’Neill E., Awale G., Daneshmandi L., Umerah O., and Lo K. W. The roles of ions on bone regeneration. Drug Discov. Today, 23 (4), 879–890 (2018). doi: 10.1016/j.drudis.2018.01.049
  12. Garbo C., Locs J., D'Este M., Demazeau G., Mocanu A., Roman C., Horovitz O., and Tomoaia-Cotisel M. Advanced Mg, Zn, Sr, Si multi-substituted hydroxyapatites for bone regeneration. Int. J. Nanomed., 15, 1037–1058 (2020). doi: 10.2147/IJN.S226630
  13. Mourino V., Cattalini J. P., and Boccaccini A. R. Metallic ions as therapeutic agents in tissue engineering scaffolds: An overview of their biological applications and strategies for new developments. J. Roy. Soc. Interface, 9 (68), 401–419 (2012). doi: 10.1098/rsif.2011.0611
  14. Li P., Jia Z., Wang Q., Tang P., Wang M., Wang K., Fang J., Zhao C., Ren F., Ge X., and Lu X. Resilient and flexible chitosan/silk cryogel incorporated with Ag/Sr codoped nanoscale hydroxyapatite for osteoinductivity and antibacterial properties. J. Mater. Chem. B, 6 (45), 7427–7438 (2018). doi: 10.1039/c8tb01672k
  15. Laskus A. and Kolmas J. Ionic substitutions in non-apatitic calcium phosphates. Int. J. Mol. Sci., 18 (12), 2542 (2017). doi: 10.3390/ijms18122542
  16. Barradas A. M., Yuan H., van Blitterswijk C. A., and Habibovic P. Osteoinductive biomaterials: current knowledge of properties, experimental models and biological mechanisms. Eur. Cells Mater., 21, 407–429 (2011). doi: 10.22203/ecm.v021a31
  17. Fellah B. H., Josselin N., Chappard D., and Weiss P., Layrolle P. Inflammatory reaction in rats muscle after implantation of biphasic calcium phosphate micro particles. J. Mater. Sci.: Mater. Med., 18 (2), 287–294 (2007). doi: 10.1007/s10856-006-0691-8
  18. Wang J., Liu D., Guo B., Yang X., Chen X., Zhu X., Fan Y., and Zhang X. Role of biphasic calcium phosphate ceramic-mediated secretion of signaling molecules by macrophages in migration and osteoblastic differentiation of MSCs. Acta Biomater., 51, 447–460 (2017). doi: 10.1016/j.actbio.2017.01.059
  19. Giancotti F. G. and Ruoslahti E. Integrin signaling. Science (N.Y.), 285 (5430), 1028–1032 (1999). doi: 10.1126/science.285.5430.1028
  20. Chen X., Wang J., Chen Y., Cai H., Yang X., Zhu X., Fan Y., and Zhang X. Roles of calcium phosphate-mediated integrin expression and MAPK signaling pathways in the osteoblastic differentiation of mesenchymal stem cells. J. Mater. Chem. B, 4 (13), 2280–2289 (2016). doi: 10.1021/acsbiomaterials.7b00232
  21. Shekaran A. and Garcia A. J. Extracellular matrix‐mimetic adhesive biomaterials for bone repair. J. Biomed. Mater. Res. Part A, 96 (1), 261–272 (2011). doi: 10.1002/jbm.a.32979
  22. Hu W. J., Eaton J. W., Ugarova T. P., and Tang L. Molecular basis of biomaterial-mediated foreign body reactions. Blood, 98 (4), 1231–1238 (2001). doi: 10.1182/blood.v98.4.1231
  23. Brodbeck W. G., Colton E., and Anderson J. M. Effects of adsorbed heat labile serum proteins and fibrinogen on adhesion and apoptosis of monocytes/macrophages on biomaterials. J. Mater. Sci.: Mater. Med., 14 (8), 671–675 (2003). doi: 10.1023/a:1024951330265
  24. Jenney C. R. and Anderson J. M. Adsorbed serum proteins responsible for surface dependent human macrophage behavior. J. Biomed. Mater. Res., 49 (4), 435–447 (2000). doi: 10.1002/(sici)1097-4636(20000315)49:4<435::aidjbm2>3.0.co;2-y
  25. Olszak I. T., Poznansky M. C., Evans R. H., Olson D., Kos C., Pollak M. R., Brown E. M., and Scadden D. T. Extracellular calcium elicits a chemokinetic response from monocytes in vitro and in vivo. J. Clin. Invest., 105 (9), 1299–1305 (2000). doi: 10.1172/JCI9799
  26. De Bruijn J. D., Shankar K., Yuan H., and Habibovic P. Osteoinduction and its evaluation. In: Bioceramics and their clinical applications, Ed. by T. Kokubo (Woodhead Publ., Cambridge, 2008), pp. 199–219 doi: 10.1201/9781439832530
  27. McNally A. K. and Anderson J. M. Interleukin-4 induces foreign body giant cells from human monocytes/macrophages. Differential lymphokine regulation of macrophage fusion leads to morphological variants of multinucleated giant cells. Am. J. Pathol., 147 (5), 1487–1499 (1995).
  28. Kanatani M., Sugimoto T., Fukase M., and Fujita T. Effect of elevated extracellular calcium on the proliferation of osteoblastic MC3T3-E1 cells: its direct and indirect effects via monocytes. Biochem. Biophys. Res. Commun., 181 (3), 1425–1430 (1991). doi: 10.1016/0006-291x(91)92098-5
  29. Terkawi M. A., Matsumae G., Shimizu T., Takahashi D., Kadoya K., and Iwasaki N. Interplay between inflammation and pathological bone resorption: insights into recent mechanisms and pathways in related diseases for future perspectives. Int. J. Mol. Sci., 23 (3), 1786 (2022). doi: 10.3390/ijms23031786
  30. Lomovskaya Y. V., Kobyakova M. I., Senotov A. S., Fadeeva I. S., Lomovsky A. I., Krasnov K. S., and Fadeev R. S. Myeloid differentiation increases resistance of leukemic cells to TRAIL-induced death by reducing the expression of DR4 and DR5 receptors. Biochemistry (Moscow), Suppl. Ser. A: Membrane and Cell Biology, 17 (1), 43–57 (2023). doi: 10.1134/S1990747822060101
  31. Lomovskaya Y. V., Kobyakova M. I., Senotov A. S., Lomovsky A. I., Minaychev V. V., Fadeeva I. S., Shtatnova D. Y., Krasnov K. S., Zvyagina A. I., Akatov V. S., and Fadeev R. S. Macrophage-like THP-1 cells derived from high-density cell culture are resistant to TRAIL-induced cell death via down-regulation of death-receptors DR4 and DR5. Biomolecules, 12 (2), 150 (2022). doi: 10.3390/ijms23147881
  32. Sabido O., Figarol A., Klein J. P., Bin V., Forest V., Pourchez J., Fubini B., Cottier M., Tomatis M., and Boudard D. Quantitative flow cytometric evaluation of oxidative stress and mitochondrial impairment in RAW 264.7 macrophages after exposure to pristine, acid functionalized, or annealed carbon nanotubes. Nanomaterials (Switzerland), 10 (2), 319 (2020). doi: 10.3390/nano10020319
  33. Antonaci S., Tortorella C., Polignano A., Ottolenghi A., Jirillo E., and Bonomo L. Modulating effects on CD25 and CD71 antigen expression by lectin-stimulated T lymphocytes in the elderly. Immunopharmacol. Immunotoxicol., 13 (1–2), 87–100 (1991). doi: 10.3109/08923979109019693
  34. Schroeder H. A., Tipton I. H., and Nason A. P. Trace metals in man: Strontium and barium. J. Chronic Dis., 25 (9), 491–517 (1972). doi: 10.1016/00219681(72)90150-6
  35. Peana M., Medici S., Dadar M., Zoroddu M. A., Pelucelli A., Chasapis C. T., and Bjorklund G. Environmental barium: Potential exposure and health-hazards. Archives Toxicol., 95 (8), 2605–2612 (2021). doi: 10.1007/s00204-021-03049-5
  36. Fadeeva I. S., Teterina A. Y., Minaychev V. V., Senotov A. S., Smirnov I. V., Fadeev R. S., Smirnova P. V., Menukhov V. O., Lomovskaya Y. V., Akatov V. S., Barinov S. M., and Komlev V. S. Biomimetic remineralized three-dimensional collagen bone matrices with an enhanced osteostimulating effect. Biomimetics (Switzerland), 8 (1), 91 (2023). doi: 10.3390/biomimetics8010091
  37. Teterina A. Y., Minaychev V. V., Smirnova P. V., Kobiakova M. I., Smirnov I. V., Fadeev R. S., Egorov A. A., Ashmarin A. A., Pyatina K. V., Senotov A. S., Fadeeva I. S., and Komlev V. S. Injectable hydrated calcium phosphate bone-like paste: Synthesis, in vitro, and in vivo biocompatibility assessment. Technologies, 11 (3), 77 (2023). doi: 10.3390/technologies11030077
  38. Minaychev V. V., Teterina A. Y., Smirnova P. V., Menshih K. A., Senotov A. S., Kobyakova M. I., Smirnov I. V., Pyatina K. V., Krasnov K. S., Fadeev R. S., Komlev V. S., and Fadeeva I. S. Composite remineralization of bonecollagen matrices by low-temperature ceramics and serum albumin: A new approach to the creation of highly effective osteoplastic materials. J. Function. Biomater., 15 (2), 27 (2024). doi: 10.3390/jfb15020027
  39. Sowden E. M. and Stitch S. R. Trace elements in human tissue. 2. Estimation of the concentrations of stable strontium and barium in human bone. Biochem. J., 67 (1), 104–109 (1957). doi: 10.1042/bj0670104
  40. Panahifar A., Swanston T. M., Jake Pushie M., Belev G., Chapman D., Weber L., and Cooper D. M. Three-dimensional labeling of newly formed bone using synchrotron radiation barium K-edge subtraction imaging. Physics Med. Biol., 61 (13), 5077–5088 (2016). doi: 10.1042/bj0670104
  41. Panahifar A., Chapman L. D., Weber L., Samadi N., and Cooper D. M. L. Biodistribution of strontium and barium in the developing and mature skeleton of rats. J. Bone Mineral Metab., 37 (3), 385–398 (2019). doi: 10.1007/s00774-018-0936-x
  42. Foster A. D. The impact of bipedal mechanical loading history on longitudinal long bone growth. PloS One, 14 (2), 0211692 (2019). doi: 10.1371/journal.pone.0211692

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».