Применение преваскуляризированных костных скаффолдов in vivo (обзор литературы)

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Обоснование. Создание материалов, замещающих костные дефекты, несмотря на множество работ, остается актуальной проблемой в ортопедии и травматологии. Одна из наиболее важных задач — создание условий для адекватной трофики костного имплантата.

Цель — проанализировать современные подходы к васкуляризации костных скаффолдов и оценить их адекватность в моделях in vivo.

Материалы и методы. Представлен обзор литературных данных, посвященный методам васкуляризации костных скаффолдов. Поиск литературы осуществляли в базах данных PubMed, ScienceDirect, eLibrary, Google Scholar в период с 2013 по 2023 г. по ключевым словам. Выявлен 271 источник. После исключения проанализированы 95 статей, результаты 38 оригинальных исследований и одного обзора литературы.

Результаты. Вне зависимости от метода предварительной васкуляризации скаффолдов костные имплантаты проявляют выраженные остеоиндуктивные свойства и способствуют ускоренному восстановлению костной ткани. Конструкции на основе твердых полимеров и кальций-фосфатных соединений также выполняют остеокондуктивную функцию. В качестве основного типа клеток используют мезенхимные стволовые клетки, а также клетки сосудистого типа, которые в синергии оказывают положительный эффект на ремоделирование костного дефекта. Для направленной дифференцировки в остеогенном направлении применяют костный морфогенетический белок, а для дифференцировки в сосудистом направлении — фактор роста эндотелия сосудов.

Заключение. В настоящее время не существует общепринятого метода васкуляризации скаффолдов, отсутствуют и данные о сравнительной эффективности методов васкуляризации, при этом в исследованиях на животных моделях продемонстрировано положительное влияние преваскуляризованных образцов на скорость восстановления как незначительных, так и критических дефектов.

Об авторах

Юрий Алексеевич Новосад

Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера

Email: yurynovosad@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6150-374X
SPIN-код: 3001-1467

аспирант

Россия, 196603, Санкт-Петербург, Пушкин, ул. Парковая, д. 64–68

Полина Андреевна Першина

Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера

Email: polinaiva2772@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-5665-3009

клинический ординатор

Россия, 196603, Санкт-Петербург, Пушкин, ул. Парковая, д. 64–68

Антон Сергеевич Шабунин

Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера

Email: anton-shab@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-8883-0580
SPIN-код: 1260-5644

научный сотрудник

Россия, 196603, Санкт-Петербург, Пушкин, ул. Парковая, д. 64–68

Марат Сергеевич Асадулаев

Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера

Email: marat.asadulaev@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-1768-2402
SPIN-код: 3336-8996

канд. мед. наук

Россия, 196603, Санкт-Петербург, Пушкин, ул. Парковая, д. 64–68

Ольга Леонардовна Власова

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Email: vlasova.ol@spbstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-9590-703X
SPIN-код: 7823-8519

д-р физ.-мат. наук, доцент

Россия, Санкт-Петербург

Сергей Валентинович Виссарионов

Национальный медицинский исследовательский центр детской травматологии и ортопедии имени Г.И. Турнера

Автор, ответственный за переписку.
Email: vissarionovs@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-4235-5048
SPIN-код: 7125-4930

д-р мед. наук, профессор, чл.-корр. РАН

Россия, 196603, Санкт-Петербург, Пушкин, ул. Парковая, д. 64–68

Список литературы

  1. Kneser U., Kaufmann P.M., Fiegel H.C., et al. Long-term differentiated function of heterotopically transplanted hepatocytes on three-dimensional polymer matrices // J Biomed Mater Res. 1999. Vol. 47, N. 4. P. 494–503. doi: 10.1002/(sici)1097-4636(19991215)47:4<494::aid-jbm5>3.0.co;2-l
  2. Kushchayeva Y., Pestun I., Kushchayev S., et al. Advancement in the treatment of osteoporosis and the effects on bone healing // J Clin Med. 2022. Vol. 11, N. 24. P. 7477. doi: 10.3390/jcm11247477
  3. You Q., Lu M., Li Z., et al. Cell sheet technology as an engineering-based approach to bone regeneration // Int J Nanomedicine. 2022. Vol. 17. P. 6491–6511. doi: 10.2147/IJN.S382115
  4. Zhang J., Huang Y., Wang Y., et al. Construction of biomimetic cell-sheet-engineered periosteum with a double cell sheet to repair calvarial defects of rats // J Orthop Translat. 2023. Vol. 38. P. 1–11. doi: 10.1016/j.jot.2022.09.005
  5. Pirraco R.P., Iwata T., Yoshida T., et al. Endothelial cells enhance the in vivo bone-forming ability of osteogenic cell sheets // Lab Invest. 2014. Vol. 94, N. 6. P. 663–673. doi: 10.1038/labinvest.2014.55
  6. Kawecki F., Galbraith T., Clafshenkel W.P., et al. In vitro prevascularization of self-assembled human bone-like tissues and preclinical assessment using a rat calvarial bone defect model // Materials (Basel). 2021. Vol. 14, N. 8. P. 2023. doi: 10.3390/ma14082023
  7. Ren L., Ma D., Liu B., et al. Preparation of three-dimensional vascularized MSC cell sheet constructs for tissue regeneration // Biomed Res Int. 2014. Vol. 2014. doi: 10.1155/2014/301279
  8. Guo T., Yuan X., Li X., et al. Bone regeneration of mouse critical-sized calvarial defects with human mesenchymal stem cell sheets co-expressing BMP2 and VEGF // J Dent Sci. 2023. Vol. 18, N. 1. P. 135–144. doi: 10.1016/j.jds.2022.06.020 2023
  9. Lin Z., Zhang X., Fritch M.R., et al. Engineering pre-vascularized bone-like tissue from human mesenchymal stem cells through simulating endochondral ossification // Biomaterials. 2022. Vol. 283. doi: 10.1016/j.biomaterials.2022.121451
  10. Zhang H., Zhou Y., Yu N., et al. Construction of vascularized tissue-engineered bone with polylysine-modified coral hydroxyapatite and a double cell-sheet complex to repair a large radius bone defect in rabbits // Acta Biomater. 2019. Vol. 91. P. 82–98. doi: 10.1016/j.actbio.2019.04.024
  11. Zhang D., Gao P., Li Q., et al. Engineering biomimetic periosteum with β-TCP scaffolds to promote bone formation in calvarial defects of rats // Stem Cell Res Ther. 2017. Vol. 8, N. 1. P. 134. doi: 10.1186/s13287-017-0592-4
  12. Zhu W., Qu X., Zhu J., et al. Direct 3D bioprinting of prevascularized tissue constructs with complex microarchitecture // Biomaterials. 2017. Vol. 124. P. 106–115. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.01.042
  13. Zhang W., Feng C., Yang G., et al. 3D-printed scaffolds with synergistic effect of hollow-pipe structure and bioactive ions for vascularized bone regeneration // Biomaterials. 2017. Vol. 135. P. 85–95. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.05.005 2017
  14. Wang X., Yunru Y., Chaoyu Y., et al. Microfluidic 3D printing responsive scaffolds with biomimetic enrichment channels for bone regeneration // Adv Funct Mater. 2021. Vol. 31, N. 40. doi: 10.1002/adfm.202105190
  15. Xu J., Shen J., Sun Y., et al. In vivo prevascularization strategy enhances neovascularization of β-tricalcium phosphate scaffolds in bone regeneration // J Orthop Translat. 2022. Vol. 37. P. 143–151. doi: 10.1016/j.jot.2022.09.001
  16. Lin Y., Shen J., Sun Y., et al. In vivo prevascularization strategy enhances neovascularization of β-tricalcium phosphate scaffolds in bone regeneration // J Orthop Translat. 2022. Vol. 35, N. 7. P. 1031–1041. doi: 10.1016/j.jot.2022.09.001 2019
  17. Mishra R., Roux B.M., Posukonis M., et al. Effect of prevascularization on in vivo vascularization of poly(propylene fumarate)/fibrin scaffolds // Biomaterials. 2016. Vol. 77. P. 255–266. doi: 10.1016/j.biomaterials.2015.10.026
  18. Buckley C., Madhavarapu S., Kamara Z., et al. In vivo evaluation of the regenerative capacity of a nanofibrous, prevascularized, load-bearing scaffold for bone tissue engineering // Regen Eng Transl Med. 2023. doi: 10.1007/s40883-023-00303-3
  19. Nulty J., Freeman F.E., Browe D.C., et al. 3D bioprinting of prevascularised implants for the repair of critically-sized bone defects. Acta Biomater. 2021. Vol. 126. P. 154–169. doi: 10.1016/j.actbio.2021.03.003
  20. Hann S.Y., Cui H., Esworthy T., et al. Recent advances in 3D printing: vascular network for tissue and organ regeneration // Transl Res. 2019. Vol. 211. P. 46–63. doi: 10.1016/j.trsl.2019.04.002
  21. Li C., Han X., Ma Z., et al. Engineered customizable microvessels for progressive vascularization in large regenerative implants // Adv Healthc Mater. 2022. Vol. 11, N. 4. doi: 10.1002/adhm.202101836
  22. Anada T., Pan C.C., Stahl A.M., et al. Vascularized bone-mimetic hydrogel constructs by 3D bioprinting to promote osteogenesis and angiogenesis // Int J Mol Sci. 2019. Vol. 20, N. 5. P. 1096. doi: 10.3390/ijms20051096
  23. Kuss M.A., Wu S., Wang Y., et al. Prevascularization of 3D printed bone scaffolds by bioactive hydrogels and cell co-culture // J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2018. Vol. 106, N. 5. P. 1788–1798. doi: 10.1002/jbm.b.33994
  24. Шабунин А.С., Асадулаев М.С., Виссарионов С.В., и др. Хирургическое лечение детей с обширными дефектами костной ткани (обзор литературы) // Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. 2021. Т. 9, № 3. C. 353–366. EDN: XHHVUM doi: 10.17816/PTORS65071
  25. Weigand A., Beier J.P., Hess A., et al. Acceleration of vascularized bone tissue-engineered constructs in a large animal model combining intrinsic and extrinsic vascularization // Tissue Eng Part A. 2015. Vol. 21, N. 9–10. P. 1680–1694. doi: 10.1089/ten.TEA.2014.0568
  26. Steiner D., Reinhardt L., Fischer L., et al. Impact of endothelial progenitor cells in the vascularization of osteogenic scaffolds // Cells. 2022. Vol. 11, N. 6. doi: 10.3390/cells11060926
  27. Koepple C., Pollmann L., Pollmann N.S., et al. Microporous polylactic acid scaffolds enable fluorescence-based perfusion imaging of intrinsic in vivo vascularization // Int J Mol Sci. 2023. Vol. 24, N. 19. doi: 10.3390/ijms241914813
  28. Kratzer S., Arkudas A., Himmler M., et al. Vascularization of poly-ε-caprolactone-collagen i-nanofibers with or without sacrificial fibers in the neurotized arteriovenous loop model // Cells. 2022. Vol. 11, N. 23. doi: 10.3390/cells11233774
  29. Eweida A., Flechtenmacher S., Sandberg E., et al. Systemically injected bone marrow mononuclear cells specifically home to axially vascularized tissue engineering constructs // PLoS One. 2022. Vol. 17, N. 8. doi: 10.1371/journal.pone.0272697 2022
  30. Vaghela R., Arkudas A., Gage D., et al. Microvascular development in the rat arteriovenous loop model in vivo – a step by step intravital microscopy analysis // J Biomed Mater Res A. 2022. Vol. 110, N. 9. P. 1551–1563. doi: 10.1002/jbm.a.37395
  31. Kim B.S., Chen S.H., Vasella M., et al. In vivo evaluation of mechanically processed stromal vascular fraction in a chamber vascularized by an arteriovenous shunt // Pharmaceutics. 2022. Vol. 14, N. 2. P. 417. doi: 10.3390/pharmaceutics14020417
  32. Yuan Q., Bleiziffer O., Boos A.M., et al. PHDs inhibitor DMOG promotes the vascularization process in the AV loop by HIF-1a up-regulation and the preliminary discussion on its kinetics in rat // BMC Biotechnol. 2014. Vol. 14, N. 1. P. 112. doi: 10.1186/s12896-014-0112-x
  33. Biggemann J., Pezoldt M., Stumpf M., et al. Modular ceramic scaffolds for individual implants // Acta Biomater. 2018. Vol. 80. P. 390–400. doi: 10.1016/j.actbio.2018.09.008 2018
  34. Kengelbach-Weigand A., Thielen C., Bäuerle T., et al. Personalized medicine for reconstruction of critical-size bone defects – a translational approach with customizable vascularized bone tissue // NPJ Regen Med. 2021. Vol. 6, N. 1. P. 49. doi: 10.1038/s41536-021-00158-8
  35. Wu X., Wang Q., Kang N., et al. The effects of different vascular carrier patterns on the angiogenesis and osteogenesis of BMSC-TCP-based tissue-engineered bone in beagle dogs // J Tissue Eng Regen Med. 2017. Vol. 11, N. 2. P. 542–552. doi: 10.1002/term.2076
  36. Yang Y.P., Gadomski B.C., Bruyas A., et al. Investigation of a prevascularized bone graft for large defects in the ovine tibia // Tissue Eng Part A. 2021. Vol. 27, N. 23–24. P. 1458–1469. doi: 10.1089/ten.TEA.2020.0347
  37. Yang Y.P., Labus K.M., Gadomski B.C., et al. Osteoinductive 3D printed scaffold healed 5 cm segmental bone defects in the ovine metatarsus // Sci Rep. 2021. Vol. 11, N. 1. P. 6704. doi: 10.1038/s41598-021-86210-5
  38. Vidal L., Brennan M.Á., Krissian S., et al. In situ production of pre-vascularized synthetic bone grafts for regenerating critical-sized defects in rabbits // Acta Biomater. 2020. Vol. 114. P. 384–394. doi: 10.1016/j.actbio.2020.07.030
  39. Kawai T., Pan C.C., Okuzu Y., et al. Combining a vascular bundle and 3D printed scaffold with bmp-2 improves bone repair and angiogenesis // Tissue Eng Part A. 2021. Vol. 27, N. 23–24. P. 1517–1525. doi: 10.1089/ten.TEA.2021.0049

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Сетчатая структура на основе полых и глухих цилиндров, полученная методом 3D-печати [13]

Скачать (251KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Артериовенозная петля, представленная S. Kratzer и соавт. [28]: а — формирование артериовенозной петли в камере; б — камера из ПЭТФ (полиэтилентерефталата), включающая четыре держателя и два слоя скаффолда; в — фибриновый гель на поверхности скаффолда; г — два дополнительных слоя нановолоконного скаффолда. 1 — нижняя надчревная артерия, 2 — сочленение, 3 — нижняя надчревная вена

Скачать (155KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии 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».