Determining the effectiveness of a xenogeneic bone matrix decellularization protocol in in vitro and in vivo studies

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: Restoration of tissue integrity, including bone tissue, is currently an extremely urgent task, both because of the increasing number of high-energy traumas accompanied by severe skeletal injuries and the growing number of revision endoprosthetics requiring the use of bone-plastic materials.

AIM: To determine the efficacy of the developed protocol for decellularization of xenogenic bone matrix in preclinical in vitro studies aimed at defining the purification matrix degree, on the basis of histological, microtomographic evaluation, cell culture method, and in vivo studies aimed at identifying the biocompatibility and osteogenic properties of the materials.

MATERIALS AND METHODS: Xenogenic spongiosis tissue of bovine femoral bones was fragmented to the size of 10×10×10 mm and treated with water, hypotonic solution and 3% hydrogen peroxide solution, deep purification by supercritical fluid extraction was applied. The efficiency of the optimal protocol was tested in vitro by cell culture method and in vivo.

RESULTS: The ideal interaction of cell culture with bone-plastic material was revealed, which may be associated with the absence of cytotoxic substances in the matrix, optimal roughness and good adhesive properties of the surface suitable for the formation of focal contacts by bone marrow stromal cells, their adhesion, spreading and proliferation. A pronounced bone callus with formed bone bridges running along the surface of the implanted material was determined 30 days after implantation. By this study period, the defect was practically closed due to the intermedial bone callus, the implanted material is found in the form of individual small osteocyte-free fragments.

CONCLUSIONS: The xenogenic bone matrix purified according to the developed protocol is bio- and cytocompatible, has pronounced osteoconductive properties, effectively stimulates regenerative osteogenesis in living organism.

About the authors

Dmitriy V. Smolentsev

Priorov Central Institute for Trauma and Orthopedics

Author for correspondence.
Email: SmolentsevDV@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0001-5386-1929
Russian Federation, Moscow

Yulia S. Lukina

Priorov Central Institute for Trauma and Orthopedics

Email: lukina_rctu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0121-1232
SPIN-code: 2814-7745

Cand. Sci. (Tech.)

Russian Federation, Moscow

Leonid L. Bionyshev-Abramov

Priorov Central Institute for Trauma and Orthopedics

Email: sity-x@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-1326-6794
Russian Federation, Moscow

Natalya B. Serejnikova

Sechenov First Moscow State Medical University

Email: natalia.serj@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4097-1552
SPIN-code: 2249-9762

Cand. Sci. (Biol.)

Russian Federation, Moscow

Alexey V. Kovalev

Priorov Central Institute for Trauma and Orthopedics

Email: kovalevav@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0003-1277-5228
SPIN-code: 2413-5980

MD, Cand. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow

Gennadiy N. Berchenko

Priorov Central Institute for Trauma and Orthopedics

Email: berchenkogn@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0002-7920-0552
SPIN-code: 3367-2493

MD, Dr. Sci. (Med.)

Russian Federation, Moscow

References

  1. Pelegrine AA, Teixeira ML, Sperandio M, et al. Can bone marrow aspirate concentrate change the mineralization pattern of the anterior maxilla treated with xenografts? A preliminary study. Contemp Clin Dent. 2016;7(1):21–6. doi: 10.4103/0976-237X.177112
  2. Barone A, Aldini NN, Fini M, et al. Xenograft versus extraction alone for ridge preservation after tooth removal: a clinical and histomorphometric study. J Periodontol. 2008;79(8):1370–7. doi: 10.1902/jop.2008.070628
  3. Brugnami F, Then PR, Moroi H, et al. GBR in human extraction sockets and ridge defects prior to implant placement: clinical results and histologic evidence of osteoblastic and osteoclastic activities in DFDBA. Int J Periodontics Restorative Dent. 1999;19(3):259–67.
  4. Esposito M, Grusovin MG, Felice P, et al. The efficacy of horizontal and vertical bone augmentation procedures for dental implants — a Cochrane systematic review. Eur J Oral Implantol. 2009;2(3):167–84.
  5. Vo TN, Kasper FK, Mikos AG. Strategies for controlled delivery of growth factors and cells for bone regeneration. Advanced Drug Delivery Reviews. 2012;64(12):1292–1309. doi: 10.1016/j.addr.2012.01.016
  6. Belthur MV, Conway JD, Jindal G, Ranade A, Herzenberg JE. Bone graft harvest using a new intramedullary system. Clin Orthop. 2008;466(12):2973–2980. doi: 10.1007/s11999-008-0538-3
  7. Conway JD. Autograft and nonunions: morbidity with intramedullary bone graft versus iliac crest bone graft. Orthop Clin North Am. 2010;41(1):75–84. doi: 10.1016/j.ocl.2009.07.006
  8. Schwartz CE, Martha JF, Kowalski P, Wang DA, Bode R, Li L, Kim DH. Prospective evaluation of chronic pain associated with posterior autologous iliac crest bone graft harvest and its effect on postoperative outcome. Health Qual Life Outcomes. 2009;7:49. doi: 10.1186/1477-7525-7-49
  9. Bigham AS, Dehghani SN, Shafiei Z, Torabi Nezhad S. Xenogenic demineralized bone matrix and fresh autogenous cortical bone effects on experimental bone healing: radiological, histopathological and biomechanical evaluation. J Orthop Traumatol. 2008;9(2):73–80. doi: 10.1007/s10195-008-0006-6
  10. Erkhova LV, Panov YM, Gavryushenko NS, et al. Supercritical Treatment of Xenogenic Bone Matrix in the Manufacture of Implants for Osteosynthesis. Russ J Phys Chem B. 2020;14(7):1158–1162. doi: 10.1134/S1990793120070064
  11. Brydone AS, Meek D, Maclaine S. Bone grafting, orthopaedic biomaterials, and the clinical need for bone engineering. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 2010;224(12):1329–1343. doi: 10.1243/09544119jeim770
  12. Thangarajah T, Shahbazi S, Pendegrass CJ, Lambert S, Alexander S, Blunn GW. Tendon Reattachment to Bone in an Ovine Tendon Defect Model of Retraction Using Allogenic and Xenogenic Demineralised Bone Matrix Incorporated with Mesenchymal Stem Cells. PLoS One. 2016;11(9):e0161473. doi: 10.1371/journal.pone.0161473
  13. Sackett SD, Tremmel DM, Ma F, Feeney AK, Maguire RM, Brown ME, et al. Extracellular matrix scaffold and hydrogel derived from decellularized and delipidized human pancreas. Sci Rep. 2018;8(1):1–16. doi: 10.1038/s41598-018-28857-1
  14. Hussey GS, Dziki JL, Badylak SF. Extracellular matrix-based materials for regenerative medicine. Nat Rev Mater. 2018;3(7):159–73. doi: 10.1038/s41578-018-0023-x
  15. Keane TJ, Swinehart IT, Badylak SF. Methods of tissue decellularization used for preparation of biologic scaffolds and in vivo relevance. Methods. 2015;84:25–34. doi: 10.1016/j.ymeth.2015.03.005
  16. Hillebrandt KH, Everwien H, Haep N, Keshi E, Pratschke J, Sauer IM. Strategies based on organ decellularization and recellularization. Transpl Int. 2019;32(6):571–85. doi: 10.1111/tri.13462.
  17. Nonaka PN, Campillo N, Uriarte JJ, et al. Effects of freezing/thawing on the mechanical properties of decellularized lungs. J Biomed Mater Res — Part A. 2014;102(2):413–419. doi: 10.1002/jbm.a.34708

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Area of interest for calculating densitometric indicators

Download (71KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Results of tomographic examination: a — 3D reconstruction, b — micro-CT slice

Download (266KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Histological examination. Microscopy: a — bright field, hematoxylin-eosin, magnification ×50; b — polarized, picrosirius red, magnification ×50; c — phase contrast, hematoxylin-eosin, magnification ×100

Download (223KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Appearance of rabbit BMSCs when cultivated on the surface of a xenogeneic bone matrix on the 6th day after seeding (SEM study)

Download (150KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Orthogonal projections and 3D model of the rat tibia: a — at the time of implantation, b — after 14 days

Download (303KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Orthogonal projections and 3D model of the rat tibia: a — at the time of implantation, b — after 30 days

Download (288KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Histological examination. Subcutaneous implantation. Standard light microscopy. Magnification ×200. Hematoxylin-eosin staining: a — on the 14th day (1 — implant fragment, 2 — forming connective tissue capsule, consisting of two layers); b — on day 30 (1 — implant fragment, 2 — maturing connective tissue capsule and forming bundles of collagen fibers)

Download (375KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Histological examination. Bone implantation. Standard light microscopy. Magnification ×200. Hematoxylin-eosin staining: a — on the 14th day (1 — fragment of the implant, 2 — newly formed bone on the surface of the implant); b — on day 30 (1 — implant fragment, 2 — newly formed bone)

Download (375KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

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».