Оценка биосовместимости новых костнопластических ксеноматериалов, содержащих золедроновую кислоту и ранелат стронция
- Авторы: Стогов М.В.1, Дюрягина О.В.1, Силантьева Т.А.1, Шипицына И.В.1, Киреева Е.А.1, Степанов М.А.1
-
Учреждения:
- ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России
- Выпуск: Том 29, № 2 (2023)
- Страницы: 57-73
- Раздел: Теоретические и экспериментальные исследования
- URL: https://bakhtiniada.ru/2311-2905/article/view/134000
- DOI: https://doi.org/10.17816/2311-2905-2035
- ID: 134000
Цитировать
Аннотация
Актуальность. Улучшение функциональных характеристик имплантируемых изделий и материалов, используемых в травматологии и ортопедии, является актуальной проблемой.
Цель исследования — изучить биосовместимость модифицированных золедроновой кислотой и ранелатом стронция ксеноматериалов из костного матрикса крупного рогатого скота при их имплантации в полость костного дефекта.
Материал и методы. Исследование выполнено на 24 кроликах-самцах породы cоветская шиншилла. В полость дефектов бедренной кости имплантировали тестируемые блоки костного матрикса. Животным группы 1 (n = 8, группа контроля) имплантировали костный ксеногенный материал «Матрикс остеопластический “Bio-Ost”». Животным группы 2 (n = 8) имплантировали костный ксеногенный материал, импрегнированный золедроновой кислотой. Животным группы 3 (n = 8) имплантировали костный ксеногенный материал, импрегнированный ранелатом стронция. Для очистки материала и импрегнации в его объем золедроновой кислоты и стронция ранелата использовали технологию сверхкритической флюидной экстракции. Для оценки биосовместимости использовали рентгенологический, патоморфологический, гистологический и лабораторный (гематология и биохимия крови) методы исследования. Срок наблюдения составил 182 дня после имплантации.
Результаты. На 182-е сут. после имплантации площадь новообразованной костной ткани в области моделирования дефекта у животных группы 1 по медиане составила 79%, в группе 2 — 0%, в группе 3 — 67%. В группе 2 к данному сроку максимальную площадь занимала соединительная ткань — 77%. Относительная площадь фрагментов имплантированного материала у животных группы 1 составила 4% по медиане, в группе 2 — 23%, в группе 3 — 15%. У животных всех групп инфицирования и отторжения материала не отмечали. Признаков интоксикации, длительной системной воспалительной реакции не наблюдали. Лабораторные показатели в динамике существенно не изменялись. Во всех группах у одного из животных отмечали разовый рост уровня С-реактивного белка на фоне лейкоцитоза. В группе 1 у двух животных наблюдалась незначительная миграция имплантируемого материала под кожу, у одного развился артрит коленного сустава.
Заключение. Костнопластические материалы на основе ксеноматрикса из костей крупного рогатого скота, насыщенные золедроновой кислотой и стронция ранелатом, имеют приемлемые значения биосовместимости, включая показатели безопасности.
Полный текст
Открыть статью на сайте журналаОб авторах
Максим Валерьевич Стогов
ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России
Автор, ответственный за переписку.
Email: stogo_off@list.ru
ORCID iD: 0000-0001-8516-8571
SPIN-код: 9345-8300
Scopus Author ID: 26024482600
ResearcherId: N-5847-2018
доктор биологических наук, доцент, руководитель отдела доклинических и лабораторных исследований
Россия, 640014, Курган, ул. М. Ульяновой, д. 6Ольга Владимировна Дюрягина
ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России
Email: diuriagina@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9974-2204
SPIN-код: 8301-1475
Scopus Author ID: 56105040400
ResearcherId: AAB-3838-2021
кандидат ветеринарных наук, зав. экспериментальной лабораторией
Россия, 640014, Курган, ул. М. Ульяновой, д. 6Тамара Алексеевна Силантьева
ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России
Email: tsyl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6405-8365
SPIN-код: 9942-7011
Scopus Author ID: 55543818800
ResearcherId: O-8458-2018
кандидат биологических наук, зав.лабораторией морфологии
Россия, 640014, Курган, ул. М. Ульяновой, д. 6Ирина Владимировна Шипицына
ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России
Email: ivschimik@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2012-3115
SPIN-код: 3039-5202
Scopus Author ID: 55891336600
ResearcherId: AAH-1004-2020
кандидат биологических наук, научный сотрудник отдела доклинических и лабораторных исследований
Россия, 640014, Курган, ул. М. Ульяновой, д. 6Елена Анатольевна Киреева
ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России
Email: ea_tkachuk@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1006-5217
SPIN-код: 9598-0838
Scopus Author ID: 56716612200
ResearcherId: G-9986-2018
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник отдела доклинических и лабораторных исследований
Россия, 640014, Курган, ул. М. Ульяновой, д. 6Михаил Александрович Степанов
ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. акад. Г.А. Илизарова» Минздрава России
Email: m-stepanov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1331-8897
SPIN-код: 3325-8710
Scopus Author ID: 55302983500
ResearcherId: GZM-6775-2022
кандидат ветеринарных наук, ведущий научный сотрудник экспериментальной лаборатории
Россия, 640014, Курган, ул. М. Ульяновой, д. 6Список литературы
- Хлусов И.А., Порохова Е.Д., Комарова Е.Г., Казанцева Е.А., Шаркеев Ю.П., Юрова К.А. и др. Скаффолды – носители лекарственных средств и биологических молекул для биоинженерии костной ткани. Цитология. 2022;64(3):183-207. doi: 10.31857/S0041377122030051. Khlusov I.A., Porokhova E.D., Komarova E.G., Kazantseva E.A., Sharkeev Yu.P., Yurova K.A. et al. Scaffolds as carriers of drugs and biomolecules for bone tissue bioengineering. Tsitologiya. 2022;64(3):183-207. (In Russian). doi: 10.31857/S0041377122030051.
- Ghimire A., Song J. Anti-periprosthetic infection strategies: from implant surface topographical engineering to smart drug-releasing coatings. ACS Appl Mater Interfaces. 2021;13(18):20921-20937. doi: 10.1021/acsami.1c01389.
- He M., Huang Y., Xu H., Feng G., Liu L., Li Y. et al. Modification of polyetheretherketone implants: From enhancing bone integration to enabling multi-modal therapeutics. Acta Biomater. 2021;129:18-32. doi: 10.1016/j.actbio.2021.05.009.
- Lohberger B., Eck N., Glaenzer D., Kaltenegger H., Leithner A. Surface modifications of titanium aluminium vanadium improve biocompatibility and osteogenic differentiation potential. Materials (Basel). 2021;14(6):1574. doi: 10.3390/ma14061574.
- Borcherding K., Schmidmaier G., Hofmann G.O., Wildemann B. The rationale behind implant coatings to promote osteointegration, bone healing or regeneration. Injury. 2021;52 Suppl 2:S106-S111. doi: 10.1016/j.injury.2020.11.050.
- Hasan A., Byambaa B., Morshed M., Cheikh M.I., Shakoor R.A., Mustafy T. et al. Advances in osteobiologic materials for bone substitutes. J Tissue Eng Regen Med. 2018;12(6):1448-1468. doi: 10.1002/term.2677.
- Martin V., Bettencourt A. Bone regeneration: Biomaterials as local delivery systems with improved osteoinductive properties. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2018;82:363-371. doi: 10.1016/j.msec.2017.04.038.
- Стогов М.В., Смоленцев Д.В., Киреева Е.А. Костные ксеноматериалы в травматологии и ортопедии (аналитический обзор литературы). Травматология и ортопедия России. 2020;26(1):181-189. doi: 10.21823/2311-2905-2020-26-1-181-189. Stogov M.V., Smolentsev D.V., Kireeva E.A. Xenografts in Trauma and Orthopaedics (Analytical Review). Traumatology and Orthopedics of Russia. 2020;26(1):181-189. (In Russian). doi: 10.21823/2311-2905-2020-26-1-181-189.
- Amirazad H., Dadashpour M., Zarghami N. Application of decellularized bone matrix as a bioscaffold in bone tissue engineering. J Biol Eng. 2022;16(1):1. doi: 10.1186/s13036-021-00282-5.
- Zhang H., Yang L., Yang X.G., Wang F., Feng J.T., Hua K.C. et al. Demineralized bone matrix carriers and their clinical applications: an overview. Orthop Surg. 2019;11(5):725-737. doi: 10.1111/os.12509.
- Liu K.F., Chen R.F., Li Y.T., Lin Y.N., Hsieh D.J., Periasamy S. et al. Supercritical carbon dioxide decellularized bone matrix seeded with adipose-derived mesenchymal stem cells accelerated bone regeneration. Biomedicines. 2021;9(12):1825. doi: 10.3390/biomedicines9121825.
- Mattioli-Belmonte M., Montemurro F., Licini C., Iezzi I., Dicarlo M., Cerqueni G. et al. Cell-Free demineralized bone matrix for mesenchymal stem cells survival and colonization. Materials (Basel). 2019;12(9):1360. doi: 10.3390/ma12091360.
- Nie W., Wang Z., Cao J., Wang W., Guo Y., Zhang C. et al. Preliminary outcomes of the combination of demineralized bone matrix and platelet Rich plasma in the treatment of long bone non-unions. BMC Musculoskelet Disord. 2021;22(1):951. doi: 10.1186/s12891-021-04840-2.
- Jin Y.Z., Zheng G.B., Lee J.H., Han S.H. Comparison of demineralized bone matrix and hydroxyapatite as carriers of Escherichia coli recombinant human BMP-2. Biomater Res. 2021;25(1):25. doi: 10.1186/s40824-021-00225-7.
- He L.H., Zhang Z.Y., Zhang X., Xiao E., Liu M., Zhang Y. Osteoclasts may contribute bone substitute materials remodeling and bone formation in bone augmentation. Med Hypotheses. 2020;135:109438. doi: 10.1016/j.mehy.2019.109438.
- Zhu H., Blahnová V.H., Perale G., Xiao J., Betge F., Boniolo F. et al. Xeno-Hybrid bone graft releasing biomimetic proteins promotes osteogenic differentiation of hMSCs. Front Cell Dev Biol. 2020;8:619111. doi: 10.3389/fcell.2020.619111.
- Carvalho M.S., Cabral J.M.S., da Silva C.L., Vashishth D. Bone matrix non-collagenous proteins in tissue engineering: creating new bone by mimicking the extracellular matrix. Polymers (Basel). 2021;13(7):1095. doi: 10.3390/polym13071095.
- Leng Q., Liang Z., Lv Y. Demineralized bone matrix scaffold modified with mRNA derived from osteogenically pre-differentiated MSCs improves bone repair. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2021;119:111601. doi: 10.1016/j.msec.2020.111601.
- Rajendran A.K., Amirthalingam S., Hwang N.S. A brief review of mRNA therapeutics and delivery for bone tissue engineering. RSC Adv. 2022;12(15):8889-8900. doi: 10.1039/d2ra00713d.
- Стогов М.В., Дюрягина О.В., Силантьева Т.А., Киреева Е.А., Шипицына И.В., Степанов М.А. Доклиническая оценка эффективности и безопасности нового костнопластического материала ксеногенного происхождения, содержащего в своем объеме ванкомицин и меропенем. Гений ортопедии. 2022;28(4):565-573. doi: 10.18019/1028-4427-2022-28-4-565-573. Stogov M.V., Dyuryagina O.V., Silanteva T.A., Kireeva E.A., Shipitsina I.V., Stepanov M.A. Preclinical evaluation of the efficacy and safety of a new osteoplastic material of xenogenic origin containing vancomycin or meropenem. Orthopaedic Genius. 2022;28(4):565-573. (In Russian). doi: 10.18019/1028-4427-2022-28-4-565-573.
- Cho H., Bucciarelli A., Kim W., Jeong Y., Kim N., Jung J. et al. Natural sources and applications of demineralized bone matrix in the field of bone and cartilage tissue engineering. Adv Exp Med Biol. 2020;1249:3-14. doi: 10.1007/978-981-15-3258-0_1.
- Govoni M., Lamparelli E.P., Ciardulli M.C., Santoro A., Oliviero A., Palazzo I. et al. Demineralized bone matrix paste formulated with biomimetic PLGA microcarriers for the vancomycin hydrochloride controlled delivery: Release profile, citotoxicity and efficacy against S. aureus. Int J Pharm. 2020;582:119322. doi: 10.1016/j.ijpharm.2020.119322.
- Zwolak P., Farei-Campagna J., Jentzsch T., von Rechenberg B., Werner C.M. Local effect of zoledronic acid on new bone formation in posterolateral spinal fusion with demineralized bone matrix in a murine model. Arch Orthop Trauma Surg. 2018;138(1):13-18. doi: 10.1007/s00402-017-2818-4.
- Parmaksiz M., Lalegül-Ülker Ö., Vurat M.T., Elçin A.E., Elçin Y.M. Magneto-sensitive decellularized bone matrix with or without low frequency-pulsed electromagnetic field exposure for the healing of a critical-size bone defect. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2021;124:112065. doi: 10.1016/j.msec.2021.112065.
- Ferrández-Montero A., Eguiluz A., Vazquez E., Guerrero J.D., Gonzalez Z., Sanchez-Herencia A.J. et al. Controlled SrR Delivery by the Incorporation of Mg Particles on Biodegradable PLA-Based Composites. Polymers (Basel). 2021;13(7):1061. doi: 10.3390/polym13071061.
- Küçüktürkmen B., Öz U.C., Toptaş M., Devrim B., Saka O.M., Bilgili H. et al. Development of zoledronic acid containing biomaterials for enhanced guided bone regeneration. J Pharm Sci. 2021;110(9):3200-3207. doi: 10.1016/j.xphs.2021.05.002.
- Raina D.B., Qayoom I., Larsson D., Zheng M.H., Kumar A., Isaksson H. et al. Guided tissue engineering for healing of cancellous and cortical bone using a combination of biomaterial based scaffolding and local bone active molecule delivery. Biomaterials. 2019;188:38-49. doi: 10.1016/j.biomaterials.2018.10.004.
- Патшина М.В., Ворошилин Р.А., Осинцев А.М. Анализ мирового рынка биоматериалов с целью определения потенциальных возможностей сырья животного происхождения. Техника и технология пищевых производств. 2021;51(2):270-289. doi: 10.21603/2074-9414-2021-2-270-289. Patshina M.V., Voroshilin R.A., Osintsev A.M. Global biomaterials market: potential opportunities for raw materials of animal origin. Food processing: techniques and technology. 2021;51(2):270-289. (In Russian). doi: 10.21603/2074-9414-2021-2-270-289.
- Bracey D.N., Jinnah A.H., Willey J.S., Seyler T.M., Hutchinson I.D., Whitlock P.W. et al. Investigating the osteoinductive potential of a decellularized xenograft bone substitute. Cells Tissues Organs. 2019;207(2): 97-113. doi: 10.1159/000503280.
- Jinnah A.H., Whitlock P., Willey J.S., Danelson K., Kerr B.A., Hassan O.A. et al. Improved osseointegration using porcine xenograft compared to demineralized bone matrix for the treatment of critical defects in a small animal model. Xenotransplantation. 2021;28(2):e12662. doi: 10.1111/xen.12662.
- Эрхова Л.В., Панов Ю.М., Гаврюшенко Н.С., Зайцев В.В., Лукина Ю.С., Смоленцев Д.В. и др. Сверхкритическая обработка ксеногенного костного матрикса в процессе изготовления имплантатов для остеосинтеза. Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2019;14(4):42-48. doi: 10.34984/SCFTP.2019.14.4.006. Erkhova L.V., Panov Yu.M., Gavryushenko N.S., Zaitsev V.V., Lukina Yu.S., Smolentsev D.V. et al. Supercritical Treatment of Xenogenic Bone Matrix in the Process of Manufacture of Implants for Osteosynthesis. Supercritical Fluids: Theory and Practice. 2019;14(4): 42-48. (In Russian). doi: 10.34984/SCFTP.2019.14.4.006.
- Baas J., Vestermark M., Jensen T., Bechtold J., Soballe K., Jakobsen T. Topical bisphosphonate augments fixation of bone-grafted hydroxyapatite coated implants, BMP-2 causes resorption-based decrease in bone. Bone. 2017;97:76-82. doi: 10.1016/j.bone.2017.01.007.
- Onyema O.O., Guo Y., Hata A., Kreisel D., Gelman A.E, Jacobsen E.A. et al. Deciphering the role of eosinophils in solid organ transplantation. Am J Transplant. 2020;20(4):924-930. doi: 10.1111/ajt.15660.
- Sørensen M., Barckman J., Bechtold J.E., Søballe K., Baas J. Preclinical evaluation of zoledronate to maintain bone allograft and improve implant fixation in revision joint replacement. J Bone Joint Surg Am. 2013;95(20):1862-1868. doi: 10.2106/JBJS.L.00641.
- Quarterman J.C., Phruttiwanichakun P., Fredericks D.C., Salem A.K. Zoledronic Acid Implant Coating Results in Local Medullary Bone Growth. Mol Pharm. 2022;19(12):4654-4664. doi: 10.1021/acs.molpharmaceut.2c00644.
- Weber M., Homm A., Müller S., Frey S., Amann K., Ries J. et al. Zoledronate causes a systemic shift of macrophage polarization towards M1 in vivo. Int J Mol Sci. 2021;22(3):1323. doi: 10.3390/ijms22031323.
- Borciani G., Ciapetti G., Vitale-Brovarone C., Baldini N. Strontium functionalization of biomaterials for bone tissue engineering purposes: a biological point of view. Materials (Basel). 2022;15(5):1724. doi: 10.3390/ma15051724.
- You J., Zhang Y., Zhou Y. Strontium functionalized in biomaterials for bone tissue engineering: a prominent role in osteoimmunomodulation. Front Bioeng Biotechnol. 2022;10:928799. doi: 10.3389/fbioe.2022.928799.
- Fillingham Y., Jacobs J. Bone grafts and their substitutes. Bone Joint J. 2016;98-B(1 Suppl A):6-9. doi: 10.1302/0301-620X.98B.36350.
- Rolvien T., Barbeck M., Wenisch S., Amling M., Krause M. Cellular mechanisms responsible for success and failure of bone substitute materials. Int J Mol Sci. 2018;19(10):2893. doi: 10.3390/ijms19102893.
- Cleemann R., Sorensen M., Bechtold J.E., Soballe K., Baas J. Healing in peri-implant gap with BMP-2 and systemic bisphosphonate is dependent on BMP-2 dose-A canine study. J Orthop Res. 2018;36(5):1406-1414. doi: 10.1002/jor.23766.
- Cleemann R., Sorensen M., West A., Soballe K., Bechtold J.E., Baas J. Augmentation of implant surfaces with BMP-2 in a revision setting: effects of local and systemic bisphosphonate. Bone Joint Res. 2021;10(8): 488-497. doi: 10.1302/2046-3758.108.BJR-2020-0280.R1.
- AbuMoussa S., Ruppert D.S., Lindsay C., Dahners L., Weinhold P. Local delivery of a zoledronate solution improves osseointegration of titanium implants in a rat distal femur model. J Orthop Res. 2018;36(12):3294-3298. doi: 10.1002/jor.24125.
- Kellesarian S.V., Subhi A.L., Harthi S., Saleh Binshabaib M., Javed F. Effect of local zoledronate delivery on osseointegration: a systematic review of preclinical studies. Acta Odontol Scand. 2017;75(7): 530-541. doi: 10.1080/00016357.2017.1350994.
- Butscheidt S., Moritz M., Gehrke T., Puschel K., Amling M., Hahn M. et al. Incorporation and remodeling of structural allografts in acetabular reconstruction: Multiscale, micro-morphological analysis of 13 pelvic explants. J Bone Joint Surg Am. 2018;100(16):1406-1415. doi: 10.2106/JBJS.17.01636.
- Wang W., Yeung K.W.K. Bone grafts and biomaterials substitutes for bone defect repair: A review. Bioact Mater. 2017;2(4):224-247. doi: 10.1016/j.bioactmat.2017.05.007.
- Sun J., Wang X., Fu C., Wang D., Bi Z. A crucial role of IL-17 in bone resorption during rejection of fresh bone xenotransplantation in rats. Cell Biochem Biophys. 2015;71(2):1043-1049. doi: 10.1007/s12013-014-0307-8.
- Marmor M.T., Matz J., McClellan R.T., Medam R., Miclau T. Use of osteobiologics for fracture management: the when, what, and how. Injury. 2021;52 Suppl 2: S35-S43. doi: 10.1016/j.injury.2021.01.030.
- Chiang C.W., Chen C.H., Manga Y.B., Huang S.C., Chao K.M., Jheng P.R. et al. Facilitated and controlled strontium ranelate delivery using GCS-HA nanocarriers embedded into PEGDA coupled with decortication driven spinal regeneration. Int J Nanomedicine. 2021;16:4209-4224. doi: 10.2147/IJN.S274461.
Дополнительные файлы
