Comparative analysis of the effectiveness of bone matrix purification protocols

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Background: This article describes the protocol for the purification of xenogenic bone matrix tested by a team of authors in the article «Determining the effectiveness of a xenogeneic bone matrix decellularization protocol in in vitro and in vivo studies» (the test results were described in the journal N.N. Priorov Journal of Traumatology and Orthopedics. 2023;30(4):431–443, doi: https://doi.org/10.17816/vto622849).

AIM: To conduct a comparative analysis of methods of physical and chemical purification of xenogeneic spongy bone tissue by tomographic and morphological studies.

MATERIALS AND METHODS: Xenogenic bovine femoral spongiosa tissue was fragmented to the size of 10×10×10 mm and treated with water, hypertonic, hypotonic, hypotonic solutions, and 3% or 6% hydrogen peroxide solution in various combinations. Deep secondary purification with organic solvents or supercritical fluid extraction was then applied, followed by 1H NMR to determine traces of reagents. The efficiency of the optimal protocol was determined by histologic and tomographic studies with calculation of the purification factor by densitometric indices.

RESULTS: In accordance with the purification coefficient calculated by densitometric indicators, the intertrabecular space of bone tissue after exposure to flowing water and hypo- and hypertonic solutions followed by cleaning with a 3% H2O2 solution is not sufficiently purified; histological analysis showed the presence of 0 to 60% osteocytes for different cleaning protocols. When replaced with a 6% H2O2 solution, the purification coefficient was higher, but bone destruction was observed. Additional deep purification allows a high purification rate while preserving the structure, but when organic solvents are used, their traces are detected in the matrix; therefore, the use of supercritical fluid extraction is more effective.

CONCLUSION: The sequential use of flowing water, 0.5% NaCl solution, 3% H2O2 solution followed by sc-CO2 treatment is an effective protocol for the purification of xenogeneic spongy bone tissue.

About the authors

Dmitriy V. Smolentsev

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Author for correspondence.
Email: SmolentsevDV@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0001-5386-1929
SPIN-code: 3702-1955
Scopus Author ID: 5720113218
ResearcherId: AAI-2081-2020
Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Yulia S. Lukina

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics; Mendeleev University of Chemical Technology of Russia

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

Cand. Sci. (Engineering)

Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow; Moscow

Leonid L. Bionyshev-Abramov

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: sity-x@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-1326-6794
SPIN-code: 1192-3848
Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

Natalya B. Serezhnikova

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics; Sechenov First Moscow State Medical University

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

Cand. Sci. (Biology)

Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow; Moscow

Maksim G. Vasiliev

N.N. Priorov National Medical Research Center of Traumatology and Orthopedics

Email: VasilevMG@cito-priorov.ru
ORCID iD: 0000-0001-9810-6513
SPIN-code: 7954-6710

MD, Cand. Sci. (Medicine)

Russian Federation, 10 Priorova str., 127299 Moscow

References

  1. Dickson G, Buchanan F, Marsh D, et al. Orthopaedic tissue engineering and bone regeneration. Technol Health Care. 2007;15 (1):57–67.
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. Schwartz CE, Martha JF, Kowalski P, et al. 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
  7. Sen MK, Miclau T. Autologous iliac crest bone graft: should it still be the gold standard for treating nonunions? Injury. 2007;38(Suppl 1):S75–S80. doi: 10.1016/j.injury.2007.02.012
  8. Thangarajah T, Shahbazi S, Pendegrass CJ, et al. 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
  9. Musson DS, Gao R, Watson M, et al. Bovine bone particulates containing bone anabolic factors as a potential xenogenic bone graft substitute. J Orthop Surg Res. 2019;14(1):60. doi: 10.1186/s13018-019-1089-x
  10. Sackett SD, Tremmel DM, Ma F, 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
  11. 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
  12. Hillebrandt KH, Everwien H, Haep N, et al. Strategies based on organ decellularization and recellularization. Transpl Int. 2019;32(6):571–85. doi: 10.1111/tri.13462
  13. Saldin LT, Cramer MC, Velankar SS, White LJ, Badylak SF. Extracellular matrix hydrogels from decellularized tissues: Structure and function. Acta Biomater. 2017;49:1–15. doi: 10.1016/j.actbio.2016.11.068
  14. Gardin C, Ricci S, Ferroni L, et al. Decellularization and Delipidation Protocols of Bovine Bone and Pericardium for Bone Grafting and Guided Bone Regeneration Procedures. PLoS One. 2015;10(7):e0132344. doi: 10.1371/journal.pone.0132344
  15. Amirazad H, Dadashpour M, Zarghami N. Application of decellularized bone matrix as a bioscaffold in bone tissue engineering. Journal of biological engineering. 2022;16(1):1–18. doi: 10.1186/s13036-021-00282-5
  16. Carvalho MS, Cabral JMS, da Silva CL, Vashishth D. Bone matrix non-collagenous proteins in tissue engineering: creating new bone by mimicking the extracellular matrix. Polymers. 2021;13(7):1095. doi: 10.3390/polym13071095
  17. 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
  18. 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
  19. Lu H, Hoshiba T, Kawazoe N, Chen G. Comparison of decellularization techniques for preparation of extracellular matrix scaffolds derived from three-dimensional cell culture. J Biomed Mater Res — Part A. 2012;100A(9):2507–2516. doi: 10.1002/jbm.a.34150
  20. Crapo PM, Gilbert TW, Badylak SF. An overview of tissue and whole organ decellularization processes. Biomaterials. 2011;32(12):3233–3243. doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.01.057
  21. Burk J, Erbe I, Berner D, et al. Freeze-thaw cycles enhance decellularization of large tendons. Tissue Eng Part C Methods. 2014;20(4):276–284. doi: 10.1089/ten.tec.2012.0760
  22. Xu H, Xu B, Yang Q, et al. Comparison of decellularization protocols for preparing a decellularized porcine annulus fibrosus scaffold. PLoS One. 2014;9(1):e86723. doi: 10.1371/journal.pone.0086723
  23. Smith CA, Board TN, Rooney P, et al. Correction: human decellularized bone scaffolds from aged donors show improved osteoinductive capacity compared to young donor bone. PLoS One. 2017;12(11):e0177416. doi: 10.1371/journal.pone.0187783
  24. Cox B, Emili A. Tissue subcellular fractionation and protein extraction for use in mass-spectrometry-based proteomics. Nat Protoc. 2006;1(4):1872e8. doi: 10.1038/nprot.2006.273
  25. Xu CC, Chan RW, Tirunagari N. A biodegradable, acellular xenogeneic scaffold for regeneration of the vocal fold lamina propria. Tissue Eng. 2007;13(3):551e66. doi: 10.1089/ten.2006.0169
  26. Liao J, Xu B, Zhang R, et al. Applications of decellularized materials in tissue engineering: advantages, drawbacks and current improvements, and future perspectives. Journal of Materials Chemistry B. 2020;8(44):10023–10049. doi: 10.1039/d0tb01534b
  27. Fulmer GR, Miller AJM, Sherden NH, et al. NMR Chemical Shifts of Trace Impurities: Common Laboratory Solvents, Organics, and Gases in Deuterated Solvents Relevant to the Organometallic Chemist. Organometallics. 2010; 29(9):2176–2179. doi: 10.1021/om100106e
  28. Antons J, Marascio MG, Aeberhard P. Decellularised tissues obtained by a CO2-philic detergent and supercritical CO2. Eur Cell Mater. 2018;36:81–95. doi: 10.22203/eCM.v036a07/
  29. Smolentsev DV, Gurin AA, Venediktov AA, Evdokimov SV, Fadeev RA. Purification of xenogeneic bone matrix by extractionwith supercritical carbon dioxide and evaluation of the obtained material. Russ J Phys Chem B. 2017;11(8):1283–1287. doi: 10.1134/S1990793117080115
  30. Bernhardt A, Wehrl M, Paul B. Improved sterilization of sensitive biomaterials with supercritical carbon dioxide at low temperature. PLoS One. 2015;10(6):e0129205. doi: 10.1371/journal.pone.0129205

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Area of interest for the calculation of densitometric parameters.

Download (125KB)
Indexing metadata
3. Table 4. The results of the tomographic examination

Download (1MB)
Indexing metadata
4. Table 5. Microscopy of xenogenic bone matrix samples

Download (1MB)
Indexing metadata
5. Fig. 2. Tomographic results of the sample purified by technique 4-3: a — 3D reconstruction, b — micro-CT slice.

Download (334KB)
Indexing metadata
6. Fig. 3. Microscopy of the sample purified by method 4-3: a — light-field, hematoxylin-eosin, magnification ×50; b — polarization, picrosirius red, magnification ×50; c — phase-contrast, hematoxylin-eosin, magnification ×10.

Download (238KB)
Indexing metadata
7. Fig. 4. NMR spectra of extracts from samples purified with: a — ethanol+chloroform (4-1), b — hexane+propanol (4-2), c — sk- СО₂ (4-3).

Download (461KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 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».