Новый тканеинженерный сосудистый матрикс на основе регенерированного фиброина шелка: исследование in vitro

Цель исследования — изготовить сосудистую заплату на основе регенерированного фиброина шелка (ФШ) и изучить ее физико-механические характеристики, биосовместимость и матриксные свойства в сравнении с материалом из полигидроксибутирата/валерата/поликапролактона с инкорпорированным сосудистым эндотелиальным фактором роста (ПГБВ/ПКЛ/VEGF) и коммерческим лоскутом из бычьего ксеноперикарда (КП) в экспериментах in vitro.

Материалы и методы. Тканеинженерные матриксы изготавливали методом электроспиннинга. Исследовали структуру поверхности, физико-механические характеристики, гемосовместимость (гемолиз эритроцитов, агрегацию, адгезию и активацию тромбоцитов после контакта с материалом) и матриксные свойства сосудистых заплат (адгезию, жизнеспособность, метаболическую активность клеток EA.hy926 на материале).

Результаты. Поверхность матриксов на основе ФШ и тканеинженерных заплат на основе ПГБВ/ПКЛ/VEGF отличалась пористой и волокнистой структурой по сравнению с более плотным и однородным КП-лоскутом. Физико-механические характеристики матриксов из ФШ были приближены к нативным сосудам. Наряду с этим тканеинженерные заплаты продемонстрировали высокие гемосовместимые свойства, которые не отличаются от таковых для коммерческого КП-лоскута. Адгезия, жизнеспособность и метаболическая активность эндотелиальных клеток EA.hy926 также соответствовали ранее разработанному нами матриксу ПГБВ/ПКЛ/VEGF и КП-лоскуту, что говорит о нетоксичности и биосовместимости ФШ-матриксов.

Заключение. Матриксы, изготовленные из регенерированного ФШ, продемонстрировали удовлетворительные результаты, сопоставимые с таковыми для ПГБВ/ПКЛ/VEGF и коммерческого КП-лоскута, а в случае адгезии и активации тромбоцитов они превосходили указанные заплаты. В совокупности ФШ можно определить как материал с достаточной биологической совместимостью, что позволяет считать изготовленный из него тканеинженерный матрикс перспективным для имплантации в сосудистую стенку.

1. Fukuda S., Shimogonya Y., Yonemoto N., Fukuda M., Watanabe A., Fujiwara K., Enomoto R., Hasegawa K., Yasoda A., Tsukahara T.; NHO Carotid CFD Study Group. Hemodynamic risk factors for the development of carotid stenosis in patients with unilateral carotid stenosis. World Neurosurg 2022; 160: e353–e371, https://doi.org/10.1016/j.wneu.2022.01.019.
2. Messas E., Goudot G., Halliday A., Sitruk J., Mirault T., Khider L., Saldmann F., Mazzolai L., Aboyans V. Management of carotid stenosis for primary and secondary prevention of stroke: state-of-the-art 2020: a critical review. Eur Heart J Suppl 2020; 22(Suppl M): M35–M42, https://doi.org/10.1093/eurheartj/suaa162.
3. AbuRahma A.F., Avgerinos E.D., Chang R.W., Darling R.C. III, Duncan A.A., Forbes T.L., Malas M.B., Murad M.H., Perler B.A., Powell R.J., Rockman C.B., Zhou W. Society for Vascular Surgery clinical practice guidelines for management of extracranial cerebrovascular disease. J Vasc Surg 2022; 75(1S): 4S–22S, https://doi.org/10.1016/j.jvs.2021.04.073.
4. Suroto N.S., Rantam F.A., Al Fauzi A., Widiyanti P., Turchan A., Pangaribuan V. Selection criteria for patch angioplasty material in carotid endarterectomy. Surg Neurol Int 2022; 13: 362, https://doi.org/10.25259/sni_470_2022.
5. Antonova L.V., Krivkina E.O., Sevostianova V.V., Mironov A.V., Rezvova M.A., Shabaev A.R., Tkachenko V.O., Krutitskiy S.S., Khanova M.Y., Sergeeva T.Y., Matveeva V.G., Glushkova T.V., Kutikhin A.G., Mukhamadiyarov R.A., Deeva N.S., Akentieva T.N., Sinitsky M.Y., Velikanova E.A., Barbarash L.S. Tissue-engineered carotid artery interposition grafts demonstrate high primary patency and promote vascular tissue regeneration in the ovine model. Polymers (Basel) 2021; 13(16): 2637, https://doi.org/10.3390/polym13162637.
6. Ханова М.Ю., Великанова Е.А., Глушкова Т.В., Мат­веева В.Г. Создание персонифицированного клеточнозаселенного сосудистого протеза in vitro. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний 2021; 10(2): 89–93, https://doi.org/10.17802/2306-1278-2021-10-2S-89-93.
7. Fang G., Sapru S., Behera S., Yao J., Shao Z., Kundu S.C., Chen X. Exploration of the tight structural-mechanical relationship in mulberry and non-mulberry silkworm silks. J Mater Chem B 2016; 4(24): 4337–4347, https://doi.org/10.1039/c6tb01049k.
8. Агапова О.И., Ефимов А.Е., Мойсенович М.М., Богуш В.Г., Агапов И.И. Сравнительный анализ трехмерной наноструктуры пористых биодеградируемых матриксов из рекомбинантного спидроина и фиброина шелка для регенеративной медицины. Вестник трансплантологии и искусственных органов 2015; 17(2): 37–44, https://doi.org/10.15825/1995-1191-2015-2-37-44.
9. Agapova O.I., Efimov A.E., Moisenovich M.M., Bogush V.G., Agapov I.I. Comparative analysis of three-dimensional nanostructure of porous biocompatible scaffolds made of recombinant spidroin and silk fibroin for regenerative medicine. Vestnik transplantologii i iskusstvennyh organov 2015; 17(2): 37–44, https://doi.org/10.15825/1995-1191-2015-2-37-44.
10. Cetin Y., Sahin M.G., Kok F.N. Application potential of three-dimensional silk fibroin scaffold using mesenchymal stem cells for cardiac regeneration. J Biomater Appl 2021; 36(4): 740–753, https://doi.org/10.1177/08853282211018529.
11. Gavrilova N.A., Borzenok S.A., Revishchin A.V., Tishchenko O.E., Ostrovkiy D.S., Bobrova M.M., Safonova L.A., Efimov A.E., Agapova O.I., Agammedov M.B., Pavlova G.V., Agapov I.I. The effect of biodegradable silk fibroin-based scaffolds containing glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) on the corneal regeneration process. Int J Biol Macromol 2021; 185: 264–276, https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.06.040.
12. Partlow B.P., Hanna C.W., Rnjak-Kovacina J., Moreau J.E., Applegate M.B., Burke K.A., Marelli B., Mitropoulos A.N., Omenetto F.G., Kaplan D.L. Highly tunable elastomeric silk biomaterials. Adv Funct Mater 2014; 24(29): 4615–4624, https://doi.org/10.1002/adfm.201400526.
13. Агаммедов М.Б., Островский Д.С., Соболев В.П., Ушакова Л.И., Агапов И.И., Гаврилова Н.А., Борзенок С.А. Пато­генетические особенности восстановления поверхностных повреждений роговицы при помощи биодегра­дируемых конструкций на основе фиброина шелка. Патогенез 2022; 20(4): 63–68, https://doi.org/10.25557/2310-0435.2022.04.63-68.
14. Meinel L., Hofmann S., Karageorgiou V., Kirker-Head C., McCool J., Gronowicz G., Zichner L., Langer R., Vunjak-Novakovic G., Kaplan D.L. The inflammatory responses to silk films in vitro and in vivo. Biomaterials 2005; 26(2): 147–155, https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.02.047.
15. Sun W., Gregory D.A., Tomeh M.A., Zhao X. Silk fibroin as a functional biomaterial for tissue engineering. Int J Mol Sci 2021; 22(3): 1499, https://doi.org/10.3390/ijms22031499.
16. Alessandrino A., Chiarini A., Biagiotti M., Dal Prà I., Bassani G.A., Vincoli V., Settembrini P., Pierimarchi P., Freddi G., Armato U. Three-layered silk fibroin tubular scaffold for the repair and regeneration of small caliber blood vessels: from design to in vivo pilot tests. Front Bioeng Biotechnol 2019; 7: 356, https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00356.
17. Chan A.H.P., Filipe E.C., Tan R.P., Santos M., Yang N., Hung J., Feng J., Nazir S., Benn A.J., Ng M.K.C., Rnjak-Kovacina J., Wise S.G. Altered processing enhances the efficacy of small-diameter silk fibroin vascular grafts. Sci Rep 2019; 9(1): 17461, https://doi.org/10.1038/s41598-019-53972-y.
18. Dingle Y.T.L., Bonzanni M., Liaudanskaya V., Nieland T.J.F., Kaplan D.L. Integrated functional neuronal network analysis of 3D silk-collagen scaffold-based mouse cortical culture. STAR Protoc 2021; 2(1): 100292, https://doi.org/10.1016/j.xpro.2020.100292.
19. Антонова Л.В., Миронов А.В., Шабаев А.Р., Силь­ни­ков В.Н., Кривкина Е.О., Матвеева В.Г., Великанова Е.А., Сенокосова Е.А., Ханова М.Ю., Севостьянова В.В., Глушкова Т.В., Мухамадияров Р.А., Барбараш Л.С. Ткане­инженерные сосудистые заплаты — сравнительная характеристика и результаты преклинических испытаний на модели овцы. Вестник трансплантологии и искусственных органов 2022; 24(4): 94–108, https://doi.org/10.15825/1995-1191-2022-4-94-108.
20. Антонова Л.В., Севостьянова В.В., Резвова М.А., Крив­кина Е.О., Кудрявцева Ю.А., Барбараш О.Л., Барба­раш Л.С. Технология изготовления функционально актив­ных биодеградируемых сосудистых протезов ма­лого диаметра с лекарственным покрытием. Патент РФ 2702239. 2019.
21. Ye X., Wang Z., Zhang X., Zhou M., Cai L. Hemocompatibility research on the micro-structure surface of a bionic heart valve. Biomed Mater Eng 2014; 24(6): 2361–2369, https://doi.org/10.3233/bme-141049.
22. Wang Z., Lin M., Xie Q., Sun H., Huang Y., Zhang D., Yu Z., Bi X., Chen J., Wang J., Shi W., Gu P., Fan X. Electrospun silk fibroin/poly(lactide-co-ε-caprolactone) nanofibrous scaffolds for bone regeneration. Int J Nanomedicine 2016; 11: 1483–1500, https://doi.org/10.2147/ijn.s97445.
23. Zhang X., Xiao L., Ding Z., Lu Q., Kaplan D.L. Fragile-tough mechanical reversion of silk materials via tuning supramolecular assembly. ACS Biomater Sci Eng 2021; 7(6): 2337–2345, https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.1c00181.
24. Di Nardo A., Louvelle L., Romero D.A., Doyle M., Forbes T.L., Amon C.H. A comparison of vessel patch materials in tetralogy of Fallot patients using virtual surgery techniques. Ann Biomed Eng 2023; 1, https://doi.org/10.1007/s10439-023-03144-x.
25. Jolee Bartrom B.S. ASTM hemolysis. NAMSA; 2008; p. 1–12.
26. Sevostianova V.V., Antonova L.V., Mironov A.V., Yuzhalin A.E., Silnikov V.N., Glushkova T.V., Godovikova T.S., Krivkina E.O., Bolbasov E., Akentyeva T.N., Khanova M.Y., Matveeva V.G., Velikanova E.A., Tarasov R.S., Barbarash L.S. Biodegradable patches for arterial reconstruction modified with RGD peptides: results of an experimental study. ACS Omega 2020; 5(34): 21700–21711, https://doi.org/10.1021/acsomega.0c02593.

Prokudina E.S., Senokosova E.A., Antonova L.V., Krivkina E.O., Velikanova E.A., Akentieva T.N., Glushkova T.V., Matveeva V.G., Kochergin N.A. New Tissue-Engineered Vascular Matrix Based on Regenerated Silk Fibroin: in vitro Study. Sovremennye tehnologii v medicine 2023; 15(4): 41, https://doi.org/10.17691/stm2023.15.4.04