БИОМИМЕТИКИ
ВНЕКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА В ТКАНЕВОЙ ИНЖЕНЕРИИ И РЕГЕНЕРАТИВНОЙ МЕДИЦИНЕ
ДЛЯ ТРАВМАТОЛОГИИ И ОРТОПЕДИИ

В. И. Севастьянов¹
Н. В. Перова²
Ю. Б. Басок¹
Е. А. Немец¹
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
¹ ФГБУ Национальный медицинский исследовательский центр трансплантологии и искусственных органов им. акад. В. И. Шумакова, Москва
² АНО Институт медико-биологических исследований и технологий, Москва
Ключевые слова: биомиметик, внеклеточный матрикс, травматология, остеоартроз, регенерация, тканевая инженерия, биоимплантат, Сферо ГЕЛЬ, гонартроз
Заболеваемость остеоартрозом в России занимает лидирующее место среди болезней суставов и наблюдается практически во всех возрастных группах [1]. Лечение дефектов суставного хряща представляет собой сложную ортопедическую проблему, так как регенерация гиалинового хряща крайне незначительна. В последнее десятилетие для восстановления структуры и функций необратимо поврежденных тканей опорно-двигательного аппарата в качестве альтернативы традиционным хирургическим методам лечения в клиническую практику внедряются технологии регенеративной медицины и тканевой инженерии. Особый интерес представляют искусственные биорезорбируемые гидрогелевые матриксы, полученные из компонентов природного внеклеточного матрикса.
Повреждения опорно-двигательного аппарата (ОДА) в результате травм и остеодегенеративных заболеваний часто приводят к ограничению подвижности и развитию хронического болевого синдрома, существенно снижая качество жизни, так как естественная способность тканей к регенерации с увеличением возраста пациента невелика.
Классические способы лечения травм и заболеваний ОДА основаны, главным образом, на реконструктивной хирургии хрящевой, костной и мышечной тканей, связок и сухожилий, в том числе в сочетании с протезированием поврежденных тканей и с медикаментозной терапией.
Среди патологий ОДА дегенеративные заболевания суставов приобретают все большую социально-медицинскую значимость, поскольку в обществе растет процент пожилых людей, а также людей с повышенной массой тела, которые рассматриваются как группа риска развития тяжелого поражения крупных суставов нижних конечностей. Заболеваемость остеоартрозом (ОА) в России занимает лидирующее место среди болезней суставов и наблюдается практически во всех возрастных группах [1]. Прогнозируют, что в ближайшее время встречаемость остеоартроза в популяции может достичь 57%.
Отсутствие кровоснабжения и низкий уровень метаболизма из-за малого количества клеток в единице объема ткани приводят к тому, что полноценная репаративная регенерация суставного хряща возможна лишь при небольших по площади повреждениях [2]. Известен ряд хирургических методов [3–11] восстановления поврежденных хрящевых тканей суставов (табл.) [12].
Применение таких хирургических техник в лечении гиалинового хряща суставов (табл.), как стимуляция костного мозга, субхондральное просверливание кости, микропереломы и попытка закрытия дефекта надкостничными или перехондриальными трансплантатами, не всегда приводит к приемлемым результатам. Часто повторно образованная ткань состоит из волокнистого хряща, который не имеет в своем составе достаточного количества коллагена II типа [13]. Подобная ткань менее надежна, не такая прочная, гладкая и упругая, как гиалиновый хрящ, и для полноценного выполнения функций гиалинового хряща не подходит [14]. Несколько улучшило ситуацию применение аутохондротрансплантации.
Однако этот метод также не лишен недостатков. Во-первых, это травматичность самой процедуры получения хондроцитов, которая требует проведения у пациента биопсии здоровой хрящевой ткани, и, во-вторых, это сложность и трудоемкость получения достаточного количества хондроцитов, как любых дифференцированных клеток [15].
Альтернативным терапевтическим подходом может служить применение аутологичных мультипотентных мезенхимальных стромальных/стволовых клеток (ММСК) для стимуляции восстановления дефектов хрящевой ткани [3]. ММСК способны дифференцироваться в различные типы клеток, включая остеобласты (костная ткань), хондроциты (хрящевая ткань) и адипоциты (жировая ткань). Актуальной остается разработка технологий, позволяющих прицельно доставлять жизнеспособные ММСК и другие виды клеток в патологический очаг, удерживать их там и создавать им условия для нормального функционирования.

ТЕХНОЛОГИИ ТКАНЕВОЙ ИНЖЕНЕРИИ И РЕГЕНЕРАТИВНОЙ МЕДИЦИНЫ В ТРАВМАТОЛОГИИ И ОРТОПЕДИИ

В последнее десятилетие для восстановления структуры и функций необратимо поврежденных тканей ОДА в клиническую практику внедряются технологии регенеративной медицины и тканевой инженерии, основанные на введении в очаг повреждения ОДА резорбируемых биоактивных матриксов различной природы (синонимы: скаффолды, носители, матрицы) или клеточноили тканеинженерных конструкций, состоящих из таких матриксов, нагруженных стволовыми и/или тканеспецифическими клетками [12].

Таблица

Хирургические методы восстановления поврежденных хрящевых тканей суставов

Рис. 1 Клеточно-инженерная конструкция для стимулирования регенерации поврежденной хрящевой ткани in situ и формирования («выращивания») тканеинженерной конструкции (тканевого эквивалента) in situ или в биореакторе [10]

Существуют два основных подхода к созданию и применению клеточно или тканеинженерных конструкций (КИК и ТИК, соответственно), относящихся к биомедицинским клеточным продуктам (БМКП), для лечения различных патологических состояний хрящевой ткани [10]. В обоих случаях для создания КИК клеточный компонент предварительно культивируют in vitro на трехмерном биорезорбируемом матриксе (рис. 1).
Один из подходов — стимулирование регенерации поврежденного хряща путем введения in situ КИК хрящевой ткани, состоящей из биорезорбируемого матрикса, аутологичных хондроцитов (АХ) и/или стромальных/стволовых клеток, а также индукционной хондрогенной среды, содержащей необходимые сигнальные биомолекулы (рис. 1).
Второй подход заключается в формировании ТИК хряща (биоэквивалента хрящевой ткани) в in situ или в биореакторе (рис. 1), обеспечивающей in vitro необходимые условия (микроокружение, ниша) для жизнедеятельности, дифференцировки и пролиферации для клеточной компоненты КИК хрящевой ткани. Полученную в биореакторе ТИК хрящевой ткани при необходимости моделируют с последующей имплантацией пациенту для полной или частичной замены поврежденного хряща. При стимулировании регенерации поврежденного хряща основная функция матрикса сводится к доставке и удержанию клеток в месте повреждения хряща, а также обеспечению клеткам условий для их жизнедеятельности в течение времени, достаточного для запуска процессов восстановления хрящевой ткани.
При создании КИК хряща в биореакторе матрикс играет роль временного искусственного внеклеточного матрикса, обеспечивающего вместе с сигнальными биомолекулами необходимые условия как для пролиферации и дифференцировки стволовых клеток, так и для синтеза дифференцированных клеток собственного внеклеточного матрикса (ВКМ). В обзоре [12] представлен детальный анализ состояния и перспектив исследований, направленных на разработку и экспериментально-клиническое применение клеточной тканеинженерных конструкций для восстановления поврежденного суставного хряща или полной его замены.
К настоящему времени достигнуты определенные успехи в создании инъекционных КИК для стимулирования внутреннего регенераторного потенциала поврежденных тканей и органов (суставного хряща, печени, поджелудочной железы и др.) [16, 17].
Особый интерес представляют искусственные биорезорбируемые гидрогелевые матриксы, полученные из компонентов природного ВКМ. К ним относятся трехмерные одно-, двух и многокомпонентные несшитые или сшитые (структурированные) гидрогелевые материалы из коллагена, желатина, гиалуроновой кислоты и другие так называемые биомиметики ВКМ, имитирующие в той или иной степени его состав [18]. Таким матриксом является отечественный биополимерный микрогетерогенный коллагенсодержащий гидрогель (БМКГ), который относится к классу многокомпонентных биополимерных гидрогелевых миметиков [19]. Гидрогелевые биополимерные миметики способны создать клеточным культурам близкое к ВКМ микроокружение, обеспечивая в качестве субстрата адгезию, пролиферацию и дифференцировку клеток с последующим синтезом специфического для каждой ткани ВКМ. Патентованная технология получения инъекционного гетерогенного биополимерного гидрогеля [20] позволяет получать линейный ряд гидрогелевых биоимплантатов из ВКМ ксеногенной ткани, состоящих из микрочастиц «сшитого» коллагена животного происхождения и «несшитого» гидрогеля, содержащего практически все низко и высокомолекулярные компоненты ВКМ [20−23].
На рис. 2 представлены микро и макрофотографии структуры БМКГ. При комнатной температуре БМКГ имеет вид прозрачного зернистого вязкого геля, состоящего из глобулоподобных частиц диаметром от 30−360 мкм, находящихся в гомогенном растворе менее «сшитого» коллагена. При визуализации гетерогенной компоненты БМКГ на атомном силовом микроскопе (АСМ-изображение) была обнаружена пористая структура микрочастиц с размером пор 2−4 мкм, что является позитивным свойством в процессах неоваскуляризации и неоинервации клеточно-инженерных конструкций на основе БМКГ (рис. 3).

А

В

С

Рис. 2 Инъекционная форма гидрогелевого миметика БМКГ [21]:

А — общий вид БМКГ в шприце

В — макроструктура БМКГ (оптическая микроскопия, x40)

С — микроструктура БМКГ (сканирующая электронная микроскопия)

В серии работ была доказана эффективность использования БМКГ в качестве матрикса в биомедицинских клеточных продуктах для регенерации поврежденных суставного хряща, печени и поджелудочной железы [23]. На базе АО «БИОМИР сервис» (г. Краснознаменск) налажен выпуск трех видов БМКГ под торговым знаком Сферо ГЕЛЬ («Композиция гетерогенного имплантируемого геля Сферо ГЕЛЬ», рег. уд. № ФСР 2012/13033 от 15.07.2015 г.), отличающихся размером микрочастиц «сшитого» коллагена и вязкостью «несшитого» гидрогеля.
Однако при всех своих неоспоримых преимуществах и доказанной эффективности даже многокомпонентные биомиметики не обладают тканеспецифическими свойствами, т. е. не способны избирательно поддерживать адгезию и пролиферацию клеток конкретной ткани. В последнее время наблюдается большой интерес к тканеспецифическим матриксам, изготовленным путем децеллюляризации, т. е. удаления клеток, их фрагментов и ядерного (генетического) материала из аллогенных или ксеногенных тканей с сохранением структурных, биохимических и биомеханических свойств природного ВКМ [24]. В отличие от гидрогелевых миметиков ВКМ, включая БМКГ, матриксы из децеллюляризованных тканей относятся к группе тканевых миметиков ВКМ, обладающих специфическими (относительно конкретной ткани или органа) свойствами, которые выражаются в сохранении как максимального состава ВКМ ткани, так и его архитектоники.

Рис. 3 АСМ-изображение гетерогенной компоненты БМКГ методом криоСЗМ (сканирующий зондовый микроскоп) после среза при температуре −80° С [22]

Децеллюляризация представляет собой процедуру обработки тканей, обеспечивающую разрушение клеток при максимальном сохранении внеклеточного матрикса, чьи белки, в отличие от клеток, несут незначительное количество антигенов, вызывающих иммуногенность, обеспечивая при этом для культивируемых клеток наиболее биохимически и функционально адекватное микроокружение [25]. Каркасные белки нативных матриксов интегративно содержат в своем составе остатки тканевых структур (гликопротеиды внеклеточного вещества, структурные белки межклеточных контактов и факторы прикрепления клеток), которые позволяют оптимизировать условия для пролонгированной жизнедеятельности прикрепившихся клеток. Заметим, что в качестве тканеспецифического матрикса целесообразно использовать микродисперсный матрикс, что позволяет обеспечить полноту удаления клеток и отмывки от поверхностно-активных веществ, облегчить рецеллюляризацию матрикса клетками за счет увеличения площади для заселения при сохранении объема и имплантировать клеточно-инженерную конструкцию инъекционным способом [26].
На сегодня известно применение децеллюляризации для формирования тканеспецифических матриксов из кровеносных сосудов, сердца или отдельных сердечных клапанов, хряща, печени, легких, жировой ткани, кожи, почек, сухожилий, нервов и поджелудочной железы ксеногенного происхождения [27, 28].
Для децеллюляризации применяется широкий спектр методов: обработка кислотами и щелочами [27, 28], циклическое замораживание и оттаивание [29], экспозиция в гипо и гипертонических растворах [30, 31]. Наиболее эффективны методы децеллюляризации под действием ионных, неионных и цвиттерионных поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые удаляют клеточный и ядерный материалы из ткани, растворяя клеточную мембрану, вызывают диссоциацию ДНК и белков [32, 33].
Недавно с использованием комплекса химических и физических способов обработки нами был разработан способ получения тканеспецифического микродисперсного матрикса из децеллюляризованного суставного хряща свиньи с сохранением морфофункциональных свойств ВКМ, обеспечивающий полное удаление из хрящевой ткани клеточных элементов при сохранении морфологии и состава ВКМ (рис. 4) [34].
Диапазон размеров полученных микродисперсных частиц хряща указывает на возможность их инъекционного введения (<250 мкм). Комбинация этапов, включающая 3 цикла замораживания/оттаивания (–196° С/37° С) с последующей обработкой растворами поверхностно-активных веществ (ПАВ) — додецилсульфата натрия и тритона Х-100 и ДНКазой, — позволила добиться полного отсутствия недецеллюляризованных микрочастиц. Остаточное содержание ДНК составило 9,11±1,13 нг/мг ткани [34]. Полнота децеллюляризации также была подтверждена окрашиванием гистологических срезов флуоресцентным красителем DAPI. Как видно на рис. 5А, в исходном суставном хряще определялась характерная флуоресценция ядер. При этом в микрочастицах децеллюляризованного матрикса ДНК не визуализировали (рис. 5В).
Заметим, при иммуногистохимическом окрашивании было установлено (см. рис. 6), что все, без исключения, микрочастицы равномерно окрашивались на коллаген II типа, основной тип коллагена суставного хряща (>90% от всего коллагена в суставном хряще). Это свидетельствует о том, что предложенный протокол децеллюляризации суставного хряща [34] позволяет не только обеспечить высокую биосовместимость матрикса, в том числе отсутствие иммуногенности, но и сохранить основной белковый компонент ВКМ.

Рис. 4 Микродисперсный матрикс из децеллюляризованного суставного хряща свиньи (тканевой миметик ВКМ) [34]. Оптическая микроскопия. Окрашивание гематоксилином и эозином.

Размер масштабной линейки 200 мкм.

1 — пустые лакуны (без клеток), 2 — ВКМ


А

В

Рис. 5 Нативный суставной хрящ свиньи (А) и микрочастицы суставного хряща свиньи после децеллюляризации (В). Окрашивание DAPI на наличие в ядрах клеток ДНК [34].

1 — ядра клеток,

2 — ВКМ,

3 — пустые лакуны (без клеток и ДНК).

Размер масштабной линейки 200 мкм


Рис. 6 Пролиферация мультипотентных мезенхимальных стволовых клеток жировой ткани человека (ММСК ЖТч) на поверхности микрочастиц суставного хряща свиньи после децеллюляризации. Иммуногистохимическое окрашивание (коричневое) микрочастиц на коллаген II типа [34].

Размер масштабной линейки 200 мкм.

1 — микрочастицы децеллюляризованного хряща,

2 — клетки. Увеличение х100


Можно предположить, что использование в КИК матрикса из децеллюляризованного суставного хряща свиньи, сохранившего тканевую специфичность за счет внеклеточных белков, которые интегративно содержат в своем составе остатки тканевых структур (гликопротеиды, структурные белки межклеточных контактов и пептидные последовательности для прикрепления клеток), позволит оптимизировать условия для пролонгированной жизнеспособности и функциональной эффективности клеточной компоненты КИК. Отметим, что микронизация децеллюляризованного матрикса предоставляет возможность его инъекционного введения, обеспечивает хорошие условия массообмена для клеточного метаболизма и увеличивает площадь эффективной поверхности для адгезии и пролиферации клеток. Рассмотрим конкретные примеры функциональной активности клеточно-инженерных конструкций на основе БМКГ матрикса (гидрогелевого биомиметика ВКМ) и тканеспецифического микродисперсного из децеллюляризованного хряща свиньи (тканевого миметика ВКМ) для регенерации поврежденных тканей опорно-двигательного аппарата.
Предложенный протокол децеллюляризации суставного хряща позволяет не только обеспечить высокую биосовместимость матрикса, в том числе отсутствие иммуногенности, но и сохранить основной белковый компонент ВКМ.

БИОМИМЕТИКИ В КЛЕТОЧНО-ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ПОВРЕЖДЕННОГО СУСТАВНОГО ХРЯЩА

Регенеративная активность КИК хрящевой ткани на основе БМКГ и ММСК ЖТч была исследована на экспериментальной модели адъювантного артрита в переход в остеоартроз коленного сустава кролика [35].
В контроле при введении в сустав физиологического раствора наблюдали изъязвление и слущивание поверхностной пластины, обеднение глубоких слоев клетками, исчезновение колончатого строения, хаотичное расположение хрящевых клеток и очаговое разволокнение хрящевого матрикса (рис. 7В). На 60 сутки после введения в пораженный сустав только БМКГ в препаратах хряща морфологические различия по сравнению с гистологической картиной отрицательного контроля выражены слабо. Тем не менее можно отметить начало формирования колонок-столбиков и несколько более сохранным выглядит поверхностный слой, что свидетельствует о наличии биоактивных свойств БМКГ (рис. 7С). После введения на 60-е сутки в поврежденный сустав КИК хрящевой ткани в препаратах хряща обнаруживаются признаки частичного восстановления структуры хряща, выражающиеся в формировании хондроцитами колонок-столбиков в среднем слое, некотором оживлении поверхностного слоя (увеличение количества клеток), появлении изогенных групп хрящевых клеток в матриксе (рис. 7D). Такая гистологическая картина свойственна структуре нативного гиалинового хряща (рис. 7А). Полученный результат свидетельствует об эффективности применения КИК хрящевой ткани для регенерации суставного хряща.

A.................................. B.................................C................................. D

Рис. 7 Гистологическая структура хряща сустава большой берцовой кости кролика в экспериментальной модели остеоартроза (ОА) на 120-е сутки от начала эксперимента [35]:

А — нативный суставной хрящ;

B — суставной хрящ через 90 суток после моделирования ОА (отрицательный контроль);

C — суставной хрящ на 90-е сутки моделирования ОА и после 60-ти суток внутрисуставного введения матрикса БМКГ;

D — суставной хрящ на 90-е сутки после моделирования ОА и после 60-ти суток внутрисуставного введения КИК хрящевой ткани. Окраска — гематоксилин и эозин. Увеличение х200


Кроме того, была показана потенциальная возможность выращивания из КИК хрящевой ткани жизнеспособного и функционально активного тканевого эквивалента хряща. Как следует из рис. 1, существуют два способа: in vitro в биореакторе или в качестве биореактора использовать живой организм. Нами был выбран путь выращивания тканевого эквивалента (тканеинженерной конструкции) хрящевой ткани в биореакторе [36, 37].
Через 14 суток инкубации в условиях потока в дифференцировочной среде STEMPRO®, в образце КИК хрящевой ткани на основе гидрогелевого миметика БМКГ и ММСК ЖТч наблюдали значительное нарастание клеточной массы с прогрессивным увеличением доли ВКМ, что свидетельствовало не только о пролиферативной, но и высокой функциональной активности клеток. Окрашивание образцов на соединительную ткань по методу Массона позволяло определить во внеклеточном матриксе не только наличие коллагена, но и выявляло структурную организацию матрикса: тонкие синие волокна формировали сеть, окружающую фибробластоподобные клетки (рис. 8А). Сине-зеленое окрашивание альциановым синим ВКМ свидетельствует о начале синтеза клетками гликозаминогликанов (рис. 8А, В) и начале формирования тканеинженерной конструкции ХТч (хрящевой ткани человека). Однако нам не удалось выявить наличие коллагена II типа в наработанном клетками ВКМ.

А

В

Рис. 8 Гистологическая структура КИК хрящевой ткани на основе гидрогелевого миметика

БМКГ в хондрогенной дифференцировочной среде STEMPRO® в условиях потока на 14-е сутки культивирования [36, 37]:

А — коллагеновые волокна в ВКМ. Окрашивание по методу Массона

В — позитивное окрашивание ВКМ альциановым синим на гликозаминогликаны

1 — БМКГ; 2 — клетка; 3 — ВКМ.

Увеличение х200


Недавно проведенные исследования показали перспективность использования тканеспецифического микродисперсного матрикса из децеллюляризованного суставного хряща свиньи для формирования тканевого эквивалента хрящевой ткани [34].
На рис. 9 показана гистологическая картина КИК, состоящей из ММСК ЖТч, культивированных в хондрогенной среде в статических условиях на микрочастицах тканеспецифического матрикса из децеллюляризованного суставного хряща свиньи. На 14-е сутки наблюдали высокую пролиферацию клеток, сопровождающуюся наработкой характерного для ткани ВКМ. Клетки образовывали многослойные тяжи и склеивали микрочастицы децеллюляризованного хряща свиньи в единый конгломерат, что говорит о начале формирования тканевого эквивалента хрящевой ткани.

КЛИНИЧЕСКИЕ ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

ГИДРОГЕЛЕВЫХ МИМЕТИКОВ В ТРАВМАТОЛОГИИ И ОРТОПЕДИИ

Биоактивные свойства БМКГ позволили предложить использование его инъекционных форм при лечении гонартрозов [38]. В Федеральном научно-клиническом центре специализированных видов медицинской помощи и медицинских технологий ФМБА России было проведено российское проспективное двойное слепое плацебо-контролируемое и рандомизированное исследование результатов внутрисуставного введения БМКГ (композиция гетерогенного имплантируемого геля Сферо®ГЕЛЬ, АО «БИОМИР сервис», Россия) 30 пациентам с первичным гонартрозом II и III стадий в составе комплексной терапии заболевания. Было достоверно установлено его положительное действие в течение не менее 3 месяцев наблюдений, которое выразилось в уменьшении боли и улучшении функциональной активности суставов при хорошей переносимости препарата [39].
Сравнительный анализ разных схем лечения первичного остеоартроза коленных суставов продемонстрировал лучшую по всем показателям эффективность комбинированного внутрисуставного введения биополимерного гетерогенного гидрогеля и препарата гиалуроновой кислоты (ГК). Длительность наблюдения составила 12 месяцев [40]. Пациентам с гонартрозом II–III стадий по Kellgren–Lawrence при применении схем только с гиалуронатом или только с БМКГ необходимо было их повторять каждые 5–6 месяцев, а при использовании комбинации этих препаратов — каждые 8–12 месяцев. Кроме того, при комбинированной схеме лечения ОА значительно снижалась потребность пациентов в приеме нестероидных противовоспалительных препаратов (НПВП), что сказывалось на уменьшении количества нежелательных явлений, вызванных приемом данных препаратов, и тем самым улучшало качество жизни больных.

А

В

Рис. 9 Хондрогенная дифференцировка ММСК ЖТч при культивировании (14 суток) на микрочастицах тканеспецифического матрикса из децеллюляризованного суставного хряща свиньи [34]:

А — окрашивание гематоксилином и эозином

В — окрашивание альциановым синим на гликозаминогликаны

1 — тканеспецифический матрикс из децеллюляризованного суставного хряща свиньи;

2— клетки;

3 — наработанный клетками ВКМ. Увеличение х100


Исходя из имеющихся экспериментальных данных in vitro и in vivo, доказывающих стимулирующее влияние БМКГ на внутреннюю регенерацию поврежденных тканей и органов [10, 17, 21−23, 35], следует, что при введении в сустав пациента БМКГ инициирует и непосредственно участвует в процессах восстановления гиалинового хряща, синовиальной оболочки и связочного аппарата сустава.
Положительное влияние БМКГ на процесс репарации поврежденных сухожилий, связок и мышц был установлен на экспериментальных моделях in vivo и клинической практике [41]. Так, хороший эффект был достигнут при лечении нестабильности в межфаланговом и пястно-фаланговом суставах в случаях разрыва коллатеральной связки сустава и восстановления движения в плечевом суставе при частичном повреждении надостной мышцы. У всех пациентов была отмечена положительная динамика в скорости заживления ран, времени восстановления функции конечности. Результаты подтверждены ультразвуковым исследованием, динамометрией, гониометрией и планиметрией. Эффективность применения композиции гетерогенного имплантируемого геля Сферо®ГЕЛЬ при различных травмах и заболеваниях опорно-двигательного аппарата была подтверждена при лечении 160 пациентов в условиях поликлинического отделения с операционным блоком больницы Научного центра в Черноголовке РАН [41]. Возможность клинического применения имплантата Сферо®ГЕЛЬ из группы биоактивных гидрогелевых миметиков ВКМ для восстановления структурных и функциональных свойств костных тканей была продемонстрирована при лечении 19 пострадавших с посттравматическими дефектами диафиза бедренной и большеберцовой костей протяженностью в среднем 8,8±3,5 см [42].
В основной группе (9 пациентов) остеосинтез отломков был выполнен последовательно аппаратами наружной фиксации, а затем интрамедуллярным штифтом. Дефект костной ткани был замещен заполнением его гидрогелевым биомиметиком Сферо®ГЕЛЬ с губчатым аутотрансплантатом из крыла подвздошной кости. В контрольной группе (10 пациентов) лечение проводили методом костной аутопластики по Илизарову. Через 2 года дефект костной ткани замещен у всех пациентов обеих групп. Однако в основной группе физиологическая нагрузка на конечность была возможна в среднем через 7,6 месяца после операции, для чего потребовалось на 61% операций меньше в сравнении с контрольной группой. Также у пациентов основной группы осложнений лечения зарегистрировано на 29,2% меньше. Таким образом, сочетанное применение Сферо®ГЕЛЬ с губчатым аутотрансплантатом позволяет заместить протяженные дефекты бедренной и большеберцовой костей и улучшить функциональные результаты лечения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные экспериментальные исследования in vitro и in vivo, доказывающие стимулирующее влияние КИК хрящевой ткани с матриксом из биополимерного гидрогелевого миметика на физиологическую регенерацию поврежденного суставного хряща, демонстрируют перспективность применения таких БМКП в травматологии и ортопедии. Высокая способность тканеспецифического микродисперсного матрикса из децеллюляризованного суставного хряща свиньи (тканевого миметика ВКМ) поддерживать адгезию, пролиферации и дифференцировку ММСК ЖТч в хондрогенном направлении дают возможность перейти к разработке технологий формирования («выращивания») из КИК на основе тканеспецифического матрикса и аутологичных ММСК тканевых эквивалентов хряща для реконструктивной и пластической хирургии. Результаты экспериментов in vitro и in vivo, а также опыт клинического применения композиции Сферо®ГЕЛЬ показывают, что введение биоактивного многокомпонентного биополимерного гидрогеля в общую схему лечения оказывает положительное влияние на процессы восстановления поврежденных тканей опорно-двигательного аппарата (суставы, связки, сухожилия, мышцы и кости).

Литература

1. Ревматология. Национальное руководство под ред. Насонова Е.Л., Насоновой В.А. М.: ГЭОТАР_Медиа. 2010. 720 c.
2. Mancuso P., Raman S., Glynn A., Barry F., Murphy J.M. Mesenchymal Stem Cell Therapy for Osteoarthritis: The Critical Role of the Cell Secretome / / Front Bioeng Biotechnol. 2019. No. 7. P. 9.
3. Fisher J.N., Tessaro I., Bertocco T., Peretti G.M., Mangiavini L. The Application of Stem Cells from Different Tissues to Cartilage Repair / / Stem Cells Int. 2017. 2017: 2761678.
4. Fu F.H., Soni A. ACI Versus Microfracture: The Debate Continues: Commentary on an article by Knutsen G., MD, PhD, et al. A Randomized Multicenter Trial Comparing Autologous Chrondrocyte Implantation with Microfracture: Long-Term Follow-up at 14 to 15 Years / / J Bone Joint Surg Am. 2016 Aug 17. No. 98 (16):e69.
5. Ullah M., Hamouda H., Stich S., Sittinger M., Ringe J. A reliable protocol for the isolation of viable, chondrogenically differentiated human mesenchymal stem cells from high-density pellet cultures / / Biores Open Access. 2012. No. 1 (6). P. 297- 305.
6. Fickert S., Gerwien P., Helmert B., Schattenberg T., Weckbach S., Kaszkin- Bettag M., Lehmann L. One-Year Clinical and Radiological Results of a Prospective, Investigator-Initiated Trial Examining a Novel, Purely Autologous 3-Dimensional Autologous Chondrocyte Transplantation Product in the Knee / / Cartilage. 2012. No. 3 (1). P. 27-42.
7. Caddeo S., Boffito M., Sartori S. Tissue Engineering Approaches in the Design of Healthy and Pathological In Vitro Tissue Models / / Front BioengBiotechnol. 2017 Jul 26. No. 5. P. 40.
8. Goldberg A., Mitchell K., Soans J., Kim L., Zaidi R. The use of mesenchymal stem cells for cartilage repair and regeneration: a systematic review / / J OrthopSurg Res. 2017 Mar 9. No. 12 (1). P. 39.
9. Wylie J.D., Hartley M.K., Kapron A.L., Aoki S.K., Maak T.G. What is the effect of matrices on cartilage repair? / / Clin
Orthop Relat Res. 2015. No. 473 (5). P. 1673-1682.
10. Севастьянов В.И. Технологии тканевой инженерии и регенеративной медицины/ / Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2014. № 16 (3). С.93-108.
11. Xia C., Mei S., Gu C., Zheng L., Fang C., Shi Y., Wu K., Lu T., Jin Y., Lin X., Chen P. Decellularized cartilage as a prospective scaffold for cartilage repair / / Mater Sci Eng C, Mater Biol Appl. 2019. No. 101. P. 588-595.
12. Басок Ю.Б., Севастьянов В.И. Технологии тканевой инженерии и регенеративной медицины в лечении дефектов хрящевой ткани суставов / / Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2016. № XVIII (4). С. 102-122.
13. Rosa D., DiDonato S.L., Balato G., D'Addona A., Smeraglia F., Correra G., DiVico G. How to Manage a Failed Cartilage Repair: A Systematic Literature Review / / Joints. 2017. No. 5 (2). P. 93-106.
14. Baugé C., Boumédiene K. Use of Adult Stem Cells for Cartilage Tissue Engineering: Current Status and Future Developments // Stem Cells Int. 2015. 2015: 438026.
15. Bernhard J.C., Vunjak-Novakovic G. Should we use cells, biomaterials, or tissue engineering for cartilage regeneration? /
/ StemCellResTher. 2016 Apr 18. No. 7 (1). P. 56.
16. Биосовместимые материалы (учебное пособие) под ред. Севастьянова В.И., Кирпичникова М.П. М.: МИА. 2011. 544 с.
17. Трансплантология и искусственные органы под ред. Готье С.В. М.: «Лаборатория знаний». 2018. 319 с.
18. Perale G., Hilborn J. Bioresorbable Polymers for Biomedical Applications: From Fundamentals to Translational Medicine. Eds / / London, Elsevier Ltd. 2017. 601 p.
19. Fisher S.A., Tam R.Y., Shoichet M.S. Tissue mimetics: engineered hydrogel matrices provide biomimetic environments for cell growth / / Tissue Engineering. 2014. Part A. V. 20 (5, 6). P. 895-898.
20. Севастьянов В.И., Перова Н.В. Инъекционный гетерогенный биополимерный гидрогель для заместительной и регенеративной хирургии и способ его получения. Патент РФ № 2433828 (2010).
21. Севастьянов В.И., Перова Н.В. Биополимерный гетерогенный гидрогель Сферо®ГЕЛЬ — инъекционный биодеградируемый имплантат для заместительной и регенеративной медицины / / Практическая медицина. 2014. № 8 (84). С. 120-126.
22. Севастьянов В.И. Клеточно-инженерные конструкции в тканевой инженерии и регенеративной медицине / / Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2015. № 17 (2). С. 127-130.1.
23. Севастьянов В.И., Шагидулин М.Ю., Скалецкий Н.Н., Перова Н.В., Довжик И.А., Готье С.В. Глава 3.6.
Доклинические исследования безопасности и эффективности БМКП для регенерации суставного хряща, печени и поджелудочной железы в книге «Методические рекомендации по проведению доклинических исследований биомедицинских клеточных продуктов» под ред. акад. Ткачука В.А. М.: МГУ. 2017.
24. Xia C., Mei S., Gu C., Zheng L., Fang C., Shi Y., Wu K., Lu T., Jin Y., Lin X., Chen P. Decellularized cartilage as a prospective scaffold for cartilage repair / / Mater SciEng C Mater Biol Appl. 2019. No. 101. P. 588-595.
25. Crapo P.M., Gilbert T.W., Badylak S.F. An overview of tissue and whole organ decellularization processes / / Biomaterials. 2011. No. 32 (12). P. 3233- 3243.
26. Gilbert T.W., Stolz D.B., Biancaniello F., Simmons-Byrd A., Badylak S.F. Production and characterization of ECM powder: implications for tissue engineering applications / / Biomaterials. 2005. No. 26 (12). P. 1431-1435.
27. Crapo P.M., Gilbert T.W., Badylak S.F. An overview of tissue and whole organ decellularization processes / / Biomaterials. 2011. No. 32 (12). P. 3233- 3243.
28. Shirakigawa N., Ijima H., Takei T. Decellularized Tissue Engineering, Advances in Biomaterials for Biomedical Applications / / J Biosci Bioeng. 2012. Vol. 114. No. 4. P. 546–551.
29. Gilpin A., Yong Y. Decellularization strategies for regenerative medicine: from processing techniques to applications / / Hindawi BioMed Research International. 2017. Vol. 2017. 13 p. Article ID 9831534 https://doi.org/10.1155/2017/9831534
30. Cox B., Emiki A. Tissue subcellular fractionation and protein extraction for use in mass spectrometry-based proteomics / / Nat. Protoc. 2006. Vol. 1. No. 4. P. 1872-1878.
31. Xu C.C., Chan R.W., Tirunagari N. A biodegradable, acellular xenogeneic scaffold for regenerative medicine: Factors that influence the host response / / Tissue Eng. 2007. Vol. 13. P. 551-566.
32. Shirakigawa N., Ijima H. Decellularized Tissue Engineering, Advances in Biomaterials for Biomedical Applications
/ / Advanced Structured Materials. 2017. Vol. 66. P. 185-226.
33. Wang Z., Li Z., Wu B., Liu Y., Wu W. Cartilaginous extracellular matrix derived from decellularized chondrocyte sheets for the reconstruction of osteochondral defects in rabbits / / Acta Biomater. 2018. Vol. 81. P. 129-145.
34. Басок Ю.Б., Кириллова А.Д., Григорьев А.М., Кирсанова Л.А., Немец Е.А., Севастьянов В.И. Получение микродисперсного тканеспецифического децеллюляризованного матрикса из суставного хряща свиньи / /Перспективные материалы. 2020. № 5. С.51-60; 38.
35. Севастьянов В.И., Духина Г.А., Григорьев А.М., Перова Н.В., Кирсанова Л.А., Скалецкий Н.Н., Ахаладзе Д.Г., Готье С.В. Функциональная эффективность биомедицинского клеточного продукта для регенерации суставного хряща (экспериментальная модель остеоартроза) / / Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2015. № 17 (1). С. 86-96.
36. Севастьянов В.И., Басок Ю.Б., Григорьев А.М., Кирсанова Л.А., Василец В.Н. Формирование тканеинженерной конструкции хрящевой ткани человека в проточном биореакторе / / Клеточные технологии в биологии и медицине. 2017. № 3. С. 178-183.
37. Севастьянов В.И., Басок Ю.Б., Григорьев А.М., Кирсанова Л.А., Василец В.Н. Применение технологии тканевой инженерии для формирования хрящевой ткани человека в проточном биореакторе / / Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2017. № XIX (3). С. 81-92.
38. Применение инъекционных форм биополимерных гетерогенных гидрогелей при дегенеративно- дистрофических поражениях суставов. Практическое пособие для врачей. М.: ООО Издательство Триада. 2012. С. 27.
39. Сайковский Р.С., Савенкова Н.А., Аверьянов А.В. и др. Эффективность применения препарата Сферогель для лечения гонартроза / / Клиническая практика. 2013. № 3. С. 4-10.
40. Соловьева И.В, Шестерня Н., Перова Н.В, Севастьянов В.И. Комбинированное применение биополимерного гетерогенного гидрогеля и гиалуроновой кислоты при остеоартрозе (первый опыт) / / Врач. 2016. № 1. С. 12-17.
41. Соловьева И.В., Перова Н.В., Севастьянов В.И. Возможности применения биополимерного микрогетерогенного коллагенсодержащего геля при травмах и заболеваниях опорно-двигательного аппарата / / Современная медицина. 2016. № 2. С. 66-69.
42. Крюков Е.В., Брижань Л.К., Хоминец В.В., Давыдов Д.В., Чирва Ю.В., Севастьянов В.И., Перова Н.В., Бабич М.И. Опыт клинического применения тканеинженерных конструкций в лечении протяженных дефектов костной ткани / / Гений ортопедии. 2019. № 25 (1). С. 49-57.