Научная статья на тему 'Тканеинженерные конструкции для нужд сердечно-сосудистой хирургии: возможности персонификации и перспективы использования'

Тканеинженерные конструкции для нужд сердечно-сосудистой хирургии: возможности персонификации и перспективы использования Текст научной статьи по специальности «Биотехнологии в медицине»

CC BY
4
1
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
тканевая инженерия / биодеградируемые полимеры / сосудистый протез малого диаметра / персонификация / tissue engineering / biodegradable polymers / small-diameter vascular prosthesis / personification

Аннотация научной статьи по биотехнологиям в медицине, автор научной работы — Антонова Лариса Валерьевна, Барбараш Ольга Леонидовна, Барбараш Леонид Семенович

Для нужд сердечно-сосудистой хирургии по-прежнему не существует эффективного сосудистого протеза диаметром менее 4 мм, несмотря на непрерывный рост частоты развития атеросклероза и возрастание числа хирургических операций по восстановлению кровотока в пораженных артериях. При этом сосудистая тканевая инженерия обладает разноплановыми методическими подходами для разработки эффективных функционально активных сосудистых протезов малого диаметра, пригодных для адаптивного роста и регенерации in situ. Немаловажный аспект — возможность персонификации создаваемых протезов за счет не только учета индивидуальной анатомии сосудистого русла пациента, но и использования аутологичных компонентов для создания подобного протеза, которые можно получить непосредственно от реципиента. В представленной проблемной статье отражены основные результаты по созданию биодеградируемых сосудистых протезов малого диаметра, полученные в Научно-исследовательском институте комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний г. Кемерово. Функционал протезов обеспечивали посредством как инкорпорирования биологически активных компонентов с проангиогенным потенциалом с целью полноценного ремоделировани in situ, так и формирования клеточнозаселенных сосудистых протезов с использованием аутологичных клеток и белков пациентов с ишемической болезнью сердца. В перспективе данные сосудистые протезы могут закрыть клиническую потребность плановой и экстренной сердечно-сосудистой хирургии, нейрои микрохирургии, военно-полевой сосудистой хирургии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биотехнологиям в медицине , автор научной работы — Антонова Лариса Валерьевна, Барбараш Ольга Леонидовна, Барбараш Леонид Семенович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Tissue-Engineered Constructions for the Needs of Cardiovascular Surgery: Possibilities of Personalization and Prospects for Use (Problem Article)

In the market for products for the needs of cardiovascular surgery, there is still no effective vascular prosthesis with a diameter of less than 4 mm, despite the continuous increase in the incidence of atherosclerosis and the increase in the number of surgical operations to restore blood flow in the affected arteries. At the same time, vascular tissue engineering has diverse methodological approaches for the development of effective functionally active small-diameter vascular prostheses suitable for adaptive growth and regeneration in situ. An important aspect is the possibility of personalizing the created prostheses not only by taking into account the individual anatomy of the patient’s vascular bed, but also by using autologous components to create such a prosthesis, which can be obtained directly from the recipient. The presented problematic article reflects the main results on the creation of biodegradable vascular prostheses of small diameter, obtained at the Research Institute of the Research institute for complex issues of cardiovascular diseases (Kemerovo). The functionality of the prostheses was provided both through the incorporation of biologically active components with proangiogenic potential for the purpose of complete remodeling in situ, and the formation of cell-populated vascular prostheses using autologous cells and proteins from patients with coronary heart disease. In the future, these vascular prostheses can cover the clinical need for elective and emergency cardiovascular surgery, neuroand microsurgery, and military field vascular surgery.

Текст научной работы на тему «Тканеинженерные конструкции для нужд сердечно-сосудистой хирургии: возможности персонификации и перспективы использования»

Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2023;78(2):141-150. REVIEW

Л.В. Антонова, О.Л. Барбараш, Л.С. Барбараш

Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний,

Кемерово, Российская Федерация

Тканеинженерные конструкции для нужд сердечно-сосудистой хирургии: возможности персонификации и перспективы

использования

Для нужд сердечно-сосудистой хирургии по-прежнему не существует эффективного сосудистого протеза диаметром менее 4 мм, несмотря на непрерывный рост частоты развития атеросклероза и возрастание числа хирургических операций по восстановлению кровотока в пораженных артериях. При этом сосудистая тканевая инженерия обладает разноплановыми методическими подходами для разработки эффективных функционально активных сосудистых протезов малого диаметра, пригодных для адаптивного роста и регенерации in situ. Немаловажный аспект — возможность персонификации создаваемых протезов за счет не только учета индивидуальной анатомии сосудистого русла пациента, но и использования аутологичных компонентов для создания подобного протеза, которые можно получить непосредственно от реципиента. В представленной проблемной статье отражены основные результаты по созданию биодеградируемых сосудистых протезов малого диаметра, полученные в Научно-исследовательском институте комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний г. Кемерово. Функционал протезов обеспечивали посредством как инкорпорирования 141 биологически активных компонентов с проангиогенным потенциалом с целью полноценногоремоделировани in situ, так и формирования клеточнозаселенных сосудистых протезов с использованием аутологичных клеток и белков пациентов с ишемической болезнью сердца. В перспективе данные сосудистые протезы могут закрыть клиническую потребность плановой и экстренной сердечно-сосудистой хирургии, нейро- и микрохирургии, военно-полевой сосудистой хирургии.

Ключевые слова: тканевая инженерия, биодеградируемые полимеры, сосудистый протез малого диаметра, персонификация Для цитирования: Антонова Л.В., Барбараш О.Л., Барбараш Л.С. Тканеинженерные конструкции для нужд сердечно-сосудистой хирургии: возможности персонификации и перспективы использования (проблемная статья). Вестник РАМН. 2023;78(2):141—150. doi: https://doi.org/10.15690/vramn7578

На сегодняшний день отмечается непрерывный рост частоты развития атеросклероза населения, в том числе с поражением коронарных артерий и периферических кровеносных сосудов [1]. В связи с этим возрастает коли-

чество хирургических вмешательств по восстановлению эффективного кровотока в поврежденных кровеносных сосудах посредством их протезирования или наложения шунтов [2]. Наилучшим вариантом для проведения

L.V. Antonova, O.L. Barbarash, L.S. Barbarash

Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases, Kemerovo, Russian Federation

Tissue-Engineered Constructions for the Needs of Cardiovascular Surgery: Possibilities of Personalization and Prospects for Use

(Problem Article)

In the market for products for the needs of cardiovascular surgery, there is still no effective vascular prosthesis with a diameter of less than 4 mm, despite the continuous increase in the incidence of atherosclerosis and the increase in the number of surgical operations to restore blood flow in the affected arteries. At the same time, vascular tissue engineering has diverse methodological approaches for the development of effective functionally active small-diameter vascular prostheses suitable for adaptive growth and regeneration in situ. An important aspect is the possibility of personalizing the created prostheses not only by taking into account the individual anatomy of the patient's vascular bed, but also by using autologous components to create such a prosthesis, which can be obtained directly from the recipient. The presented problematic article reflects the main results on the creation of biodegradable vascular prostheses of small diameter, obtained at the Research Institute of the Research institute for complex issues of cardiovascular diseases (Kemerovo). The functionality of the prostheses was provided both through the incorporation of biologically active components with proangiogenic potential for the purpose of complete remodeling in situ, and the formation of cell-populated vascular prostheses using autologous cells and proteins from patients with coronary heart disease. In the future, these vascular prostheses can cover the clinical need for elective and emergency cardiovascular surgery, neuro- and microsurgery, and military field vascular surgery. Keywords: tissue engineering, biodegradable polymers, small-diameter vascular prosthesis, personification

For citation: Antonova LV, Barbarash OL, Barbarash LS. Tissue-Engineered Constructions for the Needs of Cardiovascular Surgery: Possibilities of Personalization and Prospects for Use (Problem Article). Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2023;78(2):141-150. doi: https://doi.org/10.15690/vramn7578

DOI: https://doi.org/10.15690/vramn7578

REVIEW Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2023;78(2):141-150.

шунтирующих операций является использование ауто-логичных кровеносных сосудов, которые, однако, имеют ограниченную доступность по причине ранее перенесенных операций с использованием данных сосудов, прогрессирующего атеросклероза и других заболеваний. В свою очередь, при наличии огромного диапазона синтетических сосудистых протезов, присутствующих на рынке и в значительной степени закрывающих потребности кардиохирургии, нейрохирургии и микрохирургии, они не способны удовлетворить растущую потребность в использовании протезов сосудов диаметром менее 4 мм вследствие развития тромбозов, гиперплазии неоинтимы и кальцификации [3, 4].

Одна из перспективных современных областей, занимающихся разработкой эффективных протезов кровеносных сосудов, — сосудистая тканевая инженерия [5, 6]. Существуют различные подходы тканевой инженерии кровеносных сосудов, но все они направлены на создание функционально активного сосудистого имплантата, имеющего строение, схожее с организацией тканей нативной артерии, и демонстрирующего проходимость в отдаленный послеоперационный период [7-9].

Первый подход — выращивание собственного нового сосуда непосредственно в организме на месте функционально активного каркаса, способного задавать привлека-142 емым клеткам вектор развития в сторону формирования новообразованной сосудистой ткани и обладающего возможностью адаптивного роста. Основой подобного протеза выступает искусственный трубчатый матрикс, чаще всего выполненный из биодеградируемых природных или синтетических полимеров, обладающих высокой биосовместимостью и длительным сроком резорбции. Заселение матрикса клетками in situ, т.е. непосредственно в месте имплантации, происходит благодаря естественным процессам биоремоделирования имплантата, в том числе за счет высокой пористости стенки протеза, что способствует полноценной миграции клеток из кровотока и окружающих тканей с последующей их пролиферацией и дифференцировкой в сосудистом направлении [10, 11].

Введение биологически активных веществ в состав тканеинженерного сосудистого протеза, таких как ростовые факторы, хемокины, интерлейкины, аминокислоты и пр., и их пролонгированное высвобождение могут имитировать естественные биохимические сигналы и направлять процесс регенерации с формированием всех структурных слоев сосудистой ткани, в том числе эндотелия [12, 13]. Быстрая эндотелизация, формирование слоя гладкомышечных клеток и большое количество клеток, продуцирующих межклеточный матрикс, являются решающими факторами, обеспечивающими высокий уровень проходимости тканеинженерных сосудистых протезов за счет эффективного ремоделирования сосудистой ткани без фиброза и дегенерации.

Однако подходы формирования высокопористых трубчатых каркасов сосудистых протезов сопряжены с рядом рисков несостоятельности конечного изделия: тромбозом и преждевременной резорбцией трубчатого каркаса протеза с формированием аневризм [10, 14-17].

Идею формирования собственного нового сосуда на месте резорбируемого высокопористого сосудистого протеза невозможно реализовать, если не выполнить несколько важных шагов в процессе проектирования: 1) сделать внутреннюю поверхность тканеинженерно-го сосудистого протеза менее пористой, но сохраняющей свою структурную привлекательность для сиддинга эндотелиальных клеток и не провоцирующей адгезию

тромбоцитов; 2) дополнительно усилить атромбогенные свойства сосудистых протезов посредством модификации их поверхности высокоэффективными лекарственными препаратами, влияющими на разные звенья гемостаза; 3) сформировать антианевризматическую защиту резор-бируемого каркаса.

Таким образом, тканеинженерный сосудистый протез должен оставаться удобной площадкой для миграции и прикрепления сосудистых клеток с целью формирования новообразованной сосудистой ткани, а ремоделиро-ванная стенка протеза не должна подвергаться аневризма-тическому расширению даже в случае неконтролируемо быстрой резорбции полимерного каркаса протеза.

В Научно-исследовательском институте комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний г. Кемерово был разработан и протестирован в условиях in vitro и в экспериментах in vivo на мелких и крупных лабораторных животных сосудистый протез малого диаметра, изготовленный из биодеградируемых полимеров полигидрок-сибутирата/валерата (PHBV) и поликапролактона (PCL) и содержащий в своем составе проангиогенные факторы (GF mix): сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF-А), основной фактор роста фибробластов (bFGF) и хемоаттрактантную молекулу SDGF-1a. Содружественное использование данных биологически активных компонентов, послойно инкорпорированных в стенку сосудистого протеза в процессе эмульсионного электроспиннинга, призвано не только обеспечить единый проангиогенный эффект, но и усилить эффект каждой отдельно взятой биологически активной молекулы. Схема действия VEGF-A, bFGF SDF-1a, включенных в состав сосудистого протеза PHVV/PCL, представлена на рис. 1.

На эндотелии сосудов располагаются два рецептора — VEGFR-1 и VEGFR-2 [18, 19]. Наиболее функционально значимые сигналы VEGF-A в организме опосредуются через VEGFR-2. Предполагается, что VEGF-A, высвобождаясь из стенки сосудистого протеза и попадая в кровоток, связывается с рецепторами VEGFR-1 и VEGFR-2, расположенными на цитоплазматической мембране эн-дотелиальных клеток и их предшественников. VEGFRs — тирозинкиназные рецепторы, имеющие внеклеточный домен для связывания с лигандом, а также трансмембранный и цитоплазматический, включая участок тиро-зинкиназы. Связывание данных лигандов с рецептором VEGFR-2 ведет к его димерезации и аутофосфорилирова-нию по остаткам тирозина. Фосфорилированные остатки тирозина являются мишенями для адапторных белков, содержащих киназу или фосфотирозин-связывающий домен. В результате запускаются различные внутриклеточные сигнальные пути, приводящие к активации соответствующих генов с последующим синтезом матричной РНК, которая запускает каскад синтеза различных белков и ферментов, индуцирующих миграцию, пролиферацию и выживание клетки, выработку оксида азота, сосудистую проницаемость. Антиапоптотическое действие VEGF-A обеспечивает выживание эндотелиальных клеток. VEGF-A стимулирует миграцию клеток через синтез NO, который регулирует формирование фокальной адгезии и фосфорилирование FAK в эндотелиальных клетках. Свободный внутриклеточный Ca2+ связывается с кальмо-дулином, образуя комплекс, который активирует eNOS, что приводит к увеличению синтеза оксида азота. Все перечисленные процессы в итоге обеспечивают устойчивую миграцию эндотелиальных клеток к VEGF-A, инкорпорированному в состав сосудистых протезов, с последующим их прикреплением к полимерным нитям и синтезу

Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2023;78(2):141—150.

REVIEW

Стенка имплантированного сосудистого протеза PHBV/PCL/GF mix Деление, пролиферация,

Пролиферация.,

выживаемость, ангиогенез

1 - — eNOS; 2 . — bFGF; ф — MMPs; — ICAMs, VCAMs, VE-кадгерин; - 5 ]• — Антиапоптотические белки;

Ионы Са+; 7 — Киназы фокальной адгезии (FAK); ША — VEGF. Рис. 1. Предполагаемая схема механизмов, обусловливающих клеточный отклик и привлечение клеток в стенку биодеградируемого сосудистого протеза PHBV/PCL/GF mix

6 -

собственных белков внеклеточного матрикса, например коллагена IV типа.

Одна из важных функций основного фактора роста фибробластов — стимуляция роста эндотелиальных клеток и организация их в трубчатую структуру [20]. При выделении bFGF из стенки сосудистого протеза в кровоток может происходить его связывание с рецепторами FGFR1 эндотелиальных клеток-предшественников гемопоэтического происхождения (рис. 1). На фоне активации тирокиназной активности идет запуск внутриклеточной передачи сигнала, появляются транскрипционные факторы и начинается экспрессия соответствующих генов. Происходят активация NADH-оксидаз и каспаз, а также опосредованная активация рецепторов VEGFR1 и включение с-Akt-модулин/ калмодулин-зависимого сигнала. На этом фоне активируются митозы эндотелиальных клеток, повышается их выживаемость, миграция и пролиферация. После миграции эндотелиальных клеток к поверхности сосудистого протеза с комплексом GF mix фактор bFGF, продолжающий выделяться из структуры протеза, поддерживает выживаемость привлеченных клеток. Помимо этого, присутствие bFGF в составе биодеградируемого сосудистого протеза способно стимулировать миграцию гладкомышечных клеток из зон анастомоза в стенку протеза, а также дифференци-ровку фибробластов в миофибробласты.

Хемокину SDF-1a приписывается роль хемоаттрак-танта в процессе ангиогенеза для эндотелиальных предшественников, а также для хоуминга гемопоэтических клеток в естественную нишу [21]. Основываясь на уже известных рецептор-зависимых механизмах клеточного переноса под воздействием SDF-1a, можно предположить, что выделяющийся из стенки сосудистого протеза SDF-1а захватывается рецепторами CXCR4, которые при-

сутствуют на прогениторных клетках гемопоэтического происхождения (см. рис. 1). Активированный CXCR4 увеличивает внутриклеточную мобилизацию кальция и вызывает фосфорилирование компонентов фокальной адгезии. Далее с участием вторичных мессенджеров, так называемых Gi-белков, происходит трансмембранный перенос SDF-1a в клетку с последующей активацией соответствующих генов. Активируется секреция различных матричных металл опротеиназ, включая MMP-2 и MMP-9, участвующих в миграции клеток. Также стимулируется секреция VEGF и экспрессия CD44 — рецептора гиалуроновой кислоты, с последующей активацией интегринов VLA-4 и LFA-1, молекул адгезии VCAM и VE-кадгерина, что в совокупности готовит клетку к устойчивой адгезии. Подготовленная к миграции и адгезии клетка продолжает мигрировать к локальному градиенту SDF-1a, находящемуся в структуре сосудистого протеза (см. рис. 1). Через схожие механизмы SDF-1a способен стимулировать миграцию гладкомышечных клеток из окружающих тканей.

Проходимость сосудистых протезов PHBV/PCL/ GF mix диаметром 1,5 мм спустя 12 мес после имплантации в аорту крыс составила 93,3% [12]. Заселение клетками пористой стенки биодеградируемого протеза после его имплантации в сосудистое русло происходило благодаря естественным процессам ремоделирования имплантата с формированием трехслойной новообразованной сосудистой ткани, схожей со строением стенки нативного сосуда (рис. 2). В том числе было доказано образование устойчивого эндотелиального монослоя, что является критичным моментом для обеспечения долгосрочной эффективности протезов после их имплантации в сосудистое русло (см. рис. 2).

143

REVIEW

Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2023;78(2):141-150.

PHBV/PCL/GF mix, имплантированный в аорту крысы

Вид эксплантированного PHBV/PCL/GF mix

PHBV/PCL

Гистологическое исследование

PHBV/PCL/GF mix

окраска гематоксилином- окраска гематоксилином- окраска по Ван-Гизон, эозином, ув.х50 эозином, ув.х200 ув.х200

окраска гематоксилином- «Р8™ гематоксилином- окраска по Ван-Гизон. эозином, ув.х50 эозином, ув.х200 ув,х200

Иммунофлуоресцентное исследование

мн

ШИ

Collagen IV/Collagen IWDAPI, CD31/34/DAPI,

ув.х200 ув.хбЗО

Сканирующая электронная микроскопия

Collagen IV/Collagen IV/DAPI, ув.х200

{j '

уЖЛ '

шш

Центральная зона графта, ув.х500

Зона анастомоза, ув.хБОО

Прилежащий канасгомозу учасгокаорты крысы, ув. ч 500

Центральная зона графта, Зона анастомоза, Прилежащий канасгомозу ув.х 500 ув. X 500 учасгокаорты крысы,

ув. ч 500

Рис. 2. Сравнительная оценка проходимости и ремоделирования сосудистых протезов PHBV/PCL/GF mix диаметром 1,5 мм через 12 мес имплантации в брюшную часть аорты крыс (в сравнении с немодифицированными аналогами) [12]

144 Для проведения преклинических испытаний на мо-

дели крупных лабораторных животных выбраны овцы. Овечья модель считается оптимальной для оценки роста, проходимости, эндотелизации, тромборезистентности и постимплантационной визуализации тканеинженер-ных сосудистых протезов малого диаметра [22, 23]. Овцы быстро достигают своих максимальных размеров и далее не растут, что важно для долговременной имплантации сосудистых протезов. Овцы пригодны для «моделирования наихудшего случая» вследствие повышенной склонности их сосудов к кальцификации, что позволяет провести максимально строгое тестирование сосудистых протезов на предмет их дегенерации in vivo [24].

С учетом результатов собственных пилотных исследований на модели овцы [25], а также неудачных результатов зарубежных коллег по имплантации биодегра-

дируемых сосудистых протезов в сонную артерию овец [10, 26] протокол изготовления протезов PHBV/PCL/ GF mix до проведения основного этапа преклинических испытаний на овцах был существенно усовершенствован. Технология изготовления биодеградируемого сосудистого протеза включила в себя формирование антианев-ризматического внешнего каркаса из поликапролактона и поверхностного лекарственного покрытия на основе илопроста (Ilo) и нефракционированного гепарина (Hep) [27, 28], что позволило в течение 20 сут гарантировать стабильный выход лекарственных препаратов в терапевтической дозе на внутреннюю поверхность протеза и тем самым обезопасить протезы от раннего тромбоза и дать в дальнейшем возможность сосудистым клеткам мигрировать к поверхности и в толщу стенки протеза с переходом в полноценное ремоделирование (рис. 3).

Вид протеза с антианевризматическим покрытием

Схема поверхностной модификации гепарином и илопростом

СЭМ внутренней поверхности протеза, ув. х1000

СЭМ внешней поверхности протеза, ув. х40

Вид имплантированного протеза

УЗИ проходимости протеза через 12 мес имплантации

\ ^ Í j't ^ t

4 %#

i "У^Г

/ i Y

J J t

л .

10Omm \

ШмШ .jßB

ÉbJ/i

Рис. 3. Биодеградируемый сосудистый протез PHBV/PCL/GF mixHep/Il° с антианевризматическим каркасом

Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2023;78(2):141-150.

REVIEW

Оправданность использования дополнительной атромбогенной защиты поверхности сосудистого протеза обусловлена в том числе особенностями гемостазио-логического профиля овец, который характеризовался повышенной скоростью тромбообразования вследствие массивного ответа на индукцию АДФ, большей прочностью образовавшегося сгустка и меньшей способностью к лизису по сравнению с пациентами с ишемической болезнью сердца [29]. Поэтому даже само оперативное вмешательство на сонных артериях без имплантации сосудистых протезов приводило к снижению доли проходимости оперированных сосудов на 12,5% [25].

В итоге спустя 12 мес имплантации в сонную артерию овец биодеградируемых сосудистых протезов PHBV/PCL/ GF mixHep/I1° с комплексом ростовых факторов и лекарственным покрытием получена их 50%-я проходимость, а ремоделированная стенка протеза практически повторяла строение стенки интактной контрлатеральной сонной артерии овцы (рис. 4) [30].

Сформированная неоиентима по строению полностью повторяла внутреннюю выстилку сонной артерии овцы. При гистологическом исследовании эксплантированных образцов протезов отмечено, что на их основе действительно сформировались основные элементы новообразованной сосудистой ткани, свойственные сонной артерии: неоинтима, покрытая слоем эндотелиальных клеток; медия, состоящая из гладкомышечноподобных клеток; адвентиция, содержавшая все элементы, свойственные данному слою, — коллагеновые волокна, лимфоидные фолликулы и vasa vasorum (см. рис. 4). Однако в стенке ремоделированных протезов отсутствовали эластические волокна, что дополнительно аргументирует правильность

Интактная сонная артерия овцы

г~

¡

1 100 gm

выбора в пользу создания антианевризматической защиты биодеградируемых сосудистых протезов.

Переход к регенеративной и персонализированной медицине обусловливает необходимость поиска решений, обеспечивающих создание индивидуальных медицинских изделий не только с учетом анатомии пациента, но и с использованием аутологичного биологического материала. Поэтому в рамках второго популярного подхода сосудистой тканевой инженерии по созданию кле-точнозаселенных сосудистых протезов в условиях in vitro в НИИ КПССЗ была разработана технология изготовления биодеградируемого сосудистого протеза малого диаметра в условиях прекондиционирования напряжением сдвига. При этом биологической составляющей протеза стали эндотелиальные клетки и белки, полученные из периферической крови пациентов с сердечно-сосудистыми заболеваниями.

Известно, что основной проблемой во всем мире является невозможность получение от пациента аутологич-ных прогениторных эндотелиальных клеток в количестве, достаточном для создания индивидуальных клеточно-заселенных конструкций [31]. Общепринятые способы стимуляции костномозгового кроветворения или перепрограммирования в эндотелиальные других клеточных линий трудоемки, малоэффективны и, самое главное, небезопасны.

Эндотелиальные колониеформирующие клетки (КФЭК) — перспективные кандидаты для использования в регенеративной медицине. Однако существует проблема их крайне низкого содержания в периферической крови. На основании теории сосудистого происхождения КФЭК мы предположили, что механическое воздействие

Сосудистый протез PHBV/PCL/GF mixHep/Il()

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6

Эндотелиальный монослой

-

Средний слой

Адвентиция

Рис. 4. Сравнительная гистологическая картина стенки ремоделированного сосудистого протеза PHBV/PCL/GF т1хНер/11° диаметром 4 мм спустя 12 мес после имплантации и интактной сонной артерии овцы [30]

145

REVIEW

Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2023;78(2):141-150.

s

I

о

К

100 80

60

40 -

20 0

*

87,5

До вмешательства

Введение катетера После вмешательства

КШ (n=8) ЧКВ (n=8)

Через 1 сут

Рис. 5. Относительное количество положительных результатов культивирования в точках забора крови у пациентов, перенесших операцию коронарного шунтирования (КШ) и чрескожного коронарного вмешательства (ЧКВ), %

Примечание. * — р < 0,05 по сравнению с результатами до вмешательства [31].

при проведении внутрисосудистых вмешательств (чрескожного коронарного вмешательства (ЧКВ) и коронарного шунтирования (КШ)) может вызвать повышение циркулирующих предшественников КФЭК в периферической крови и, соответственно, индуцировать рост 146 данных клеток в культуре.

Выявлено, что механическое воздействие во время процедуры ЧКВ значительно повышало иммобилизацию в кровь предшественников КФЭК с высоким и средним пролиферативным потенциалом и увеличивало вероятность их выделения в культуре (рис. 5) [31]. При этом для последующих этапов работ по получению монону-

клеарной фракции и ее дальнейшему культивированию достаточно всего 20 мл периферической крови, забранной от пациента во время процедуры ЧКВ.

Последующее культивирование in vitro мононуклеар-ной фракции крови по усовершенствованным протоколам Колбе привело к усиленному росту колоний и получению в большом количестве колониеформирующих эндотелиальных клеток негемопоэтического происхождения, обладающих морфологией и фенотипом зрелых эндотелиальных клеток, что было доказано методами проточной цитофлуориметрии и иммунофлуоресцентно-го исследования (рис. 6, 7).

G-CD45- G-CD45- G-CD45-

Рис. 6. Примеры гистограмм различных антигенов на популяциях CD45— и НЦУБС (проточная цитофлуориметрия) [31]

Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2023;78(2):141-150. REVIEW

147

Рис. 7. Фотографии колоний CD45- и HUVEC, выполненные на конфокальном микроскопе [31]

В случае положительных результатов культивирования наблюдали прогрессивное увеличение относительного содержания популяции CD45— от 1,8 до 87,6% (см. рис. 6). Популяция CD45— во всех образцах и временных диапазонах культивирования сохраняла стабильный фенотип и была однородной по составу. Клетки CD45— обладали выраженной экспрессией эндотелиального поверхностного антигена CD146 и CD31, умеренной CD309, в 89,9— 95,5% содержали фактор фон Виллебранда (vWF), на их мембране полностью отсутствовал CD133. При этом небольшая часть клеток (0,1—9,1%) была позитивна по CD34 (см. рис. 6). Популяция CD45— не экспрессировала маркеров гемопоэтических иммунных клеток CD3, CD14, HLADR (см. рис. 6). В качестве сравнения представлен фенотип эндотелиальных клеток пупочной вены человека (HUVEC), который совпадал с фенотипом культуры, полученной из мононуклеарной фракции крови пациентов [31].

На мембране HUVEC и популяции CD45— ярко детектировались рецепторы CD31 и умеренно — CD309 (см. рис. 7), межклеточные контакты хорошо видны по присутствию белка клеточной адгезии CD144, характерного для эндотелия сосудов (см. рис. 7).

Внутри HUVEC и культуры CD45— определяли тельца Вейбеля—Паладе, а также диффузные и сетчатые скопления vWF, что подтвердило способность клеток синтезировать фактор фон Виллебранда (см. рис. 7).

Таким образом, колонии клеток CD45—, полученных из крови пациентов с ишемической болезнью сердца, являлись колониеформирующими эндотели-альными клетками, поскольку обладали характерной морфологией и фенотипом зрелых эндотелиальных клеток (CD146+CD31+CD144+CD309+vWF+CD34+/—CD133—) [31]. И то количество КФЭК, которое возможно получить из периферической крови пациентов с ишемической болезнью сердца, достаточно не только для создания персонифицированного клеточнозаселенного сосудистого

протеза, но и для формирования криобанка аутологичных эндотелиальных клеток.

Персонификацию полимерного трубчатого каркаса будущего клеточнозаселенного сосудистого протеза можно также достичь с помощью создания аутологично-го белкового покрытия, привлекательного для адгезии клеток. Покрытие из фибрина имеет ряд преимуществ перед другими биополимерами. Способность фибрина поддерживать адгезию и миграцию, служить биологической клеточной нишей, контролировать ангиогенез, накапливать и дозированно высвобождать факторы роста является уникальной и крайне полезной для тканевой сосудистой инженерии [32]. Огромный потенциал формования позволяет получать сложные трехмерные формы, использовать фибрин в качестве как самостоятельного каркаса, так и модифицирующего покрытия или пропитки [33, 34]. При этом фибрин также можно получить из периферической крови пациентов.

Было доказано, что в сравнении с другими белками (коллагеном, фибронектином), рутинно используемыми при проведении культуральных работ в качестве фидерного слоя, фибриновое покрытие обеспечило эффективную адгезию эндотелиальных клеток на поверхности полимерных каркасов с увеличением клеточной жизнеспособности, метаболизма и пролиферации (рис. 8). Параллельно это сопровождалось повышением площади покрытия белком фокальной адгезии паксилином и ориентацией структурного белка F-актина в адгезированных эндотелиальных клетках.

Высокая способность к удержанию клеток в условиях потока гарантирует сохранность воссозданного на поверхности протеза эндотелиального слоя и, как следствие, поддержание тромборезистентности тканеинженерного протеза после имплантации. Фибрин проявил максимальную способность к удержанию клеток на поверхности биодеградируемых сосудистых протезов при их

REVIEW

148

Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2023;78(2):141-150.

Пролиферативная активность клеток Пролиферативная активность

<0,0006

ПГБВ/ПКЛ SO iim ПГБВ/ПКЛ коллаген m SO ¡im ПГБВ/ПКЛ фибронектин * ' * SO |im ПГБВ/ПКЛ фибрин • • • • 50 рт

Ядра Делящиеся ядра

Адгезионные свойства

Пластик 'Т 50 um Коллаген 50 рт Фибронектин ** щг,. , " 50 ит Фибрин "г* * ' 50 |jm '

20

0

Паксиллин Плошадь фокальной адгезии

¡£10

<0,05

Паксиллин Р-актин Ядра

Рис. 8. Биологические свойства матриксов РНБУ/РСЬ, покрытых различными белками внеклеточного матрикса

400

-200

Статика

<0,001

Пульсирующий поток

<0,0001

^ с** с** ^

ov

Рис. 9. Удержание клеток на поверхности биодеградируемых сосудистых протезов РНБУ/РСЬ, покрытых различными белками внеклеточного матрикса, в условиях статики и пульсирующего потока

культивировании в условиях проточного пульсирующего биореактора, что указывает на предпочтительность использования данного белка в тканевой сосудистой инженерии (рис. 9) [35].

Таким образом, современный уровень развития сосудистой тканевой инженерии, использование биологически активных компонентов и аутологичных составляющих (белков и клеточных элементов) делают реальным создание персонифицированных тка-неинженерных сосудистых протезов малого диаметра с проангиогенной активностью, низкой иммуногенно-

стью и возможностью полноценного ремоделирования и адаптивного роста.

В перспективе тканеинженерные сосудистые протезы малого диаметра могут быть успешно применимы в плановой и экстренной сердечно-сосудистой хирургии, нейро- и микрохирургии, военно-полевой сосудистой хирургии.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Исследование выполнено в рамках фундаментальной темы НИИ КПССЗ № 04192022-0001 «Молекулярные, клеточные и биомеханические механизмы патогенеза сердечно-сосудистых заболеваний в разработке новых методов лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы на основе персонифицированной фармакотерапии, внедрения малоинвазивных медицинских изделий, биоматериалов и тканеинженерных имплантатов».

Конфликт интересов. Авторы данной статьи подтвердили отсутствие конфликта интересов, о котором необходимо сообщить.

Участие авторов. Л.В. Антонова — дизайн и систематизация данных, написание исходного варианта статьи; О.Л. Барбараш — разработка дизайна статьи, экспертиза финального варианта статьи; Л.С. Барбараш — разработка дизайна статьи, утверждение финального варианта статьи. Все авторы внесли значимый вклад в подготовку статьи, прочли финальную версию текста перед публикацией и одобрили направление рукописи на публикацию.

60

40

© 20

0

0

ЛИТЕРАТУРА

1. Benjamin EJ, Muntner P, Alonso A, et al. Disease and Stroke Statistics-2019 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation. 2019; 139(10):e56—e528. doi: https://doi.org/10.1161/CIR.0000000000000659

2. Taggart DP. Current status of arterial grafts for coronary artery bypass grafting. Ann Cardiothorac Surg. 2013;2(4):427— 430. doi: https://doi.org/10.3978/j.issn.2225-319X.2013.07.21

3. Kitsuka T, Hama R, Ulziibayar A, et al. Clinical Application for Tissue Engineering Focused on Materials. Biomedicines. 2022; 10(6): 1439. doi: https://doi.org/10.3390/biomedicines10061439

4. Moore MJ, Tan RP, Yang N, et al. Bioengineering artificial blood vessels from natural materials. Trends Biotechnol. 2022;40(6):693-707. doi: https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2021.11.003

Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2023;78(2):141-150. REVIEW

5. Fang S, Ellman DG, Andersen DC. Review: Tissue Engineering of Small-Diameter Vascular Grafts and Their in vivo Evaluation in Large Animals and Humans. Cells. 2021; 10(3):713. 22. doi: https://doi.org/10.3390/cells10030713

6. Naegeli KM, Kural MH, Li Y, et al. Bioengineering Human Tissues

and the Future ofVascular Replacement. Circ Res. 2022:131(1):109- 23. 126. doi: https://doi.org/10.1161/CIRCRESAHA.121.319984

7. Stowell CET, Wang Y. Quickening: Translational design of resorbable synthetic vascular grafts. Biomaterials. 2018;173:71-86. 24. doi: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.05.006

8. Zhu M, Wu Yi, Li W, et al. Biodegradable and elastomeric vascular grafts enable vascular remodeling. Biomaterials. 2018;183:306-318.

doi: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2018.08.063 25.

9. Durán-Rey D, Crisóstomo V, Sánchez-Margallo JA, et al. Systematic Review of Tissue-Engineered Vascular Grafts. Front Bioeng Biotechnol. 2021;9:771400.

doi: https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.771400 26.

10. Matsuzaki Yu, Iwaki R, Reinhardt JW, et al. The effect of pore diameter on neo-tissue formation in electrospun biodegradable tissue-engineered arterial grafts in a large animal model. Acta Biomate. 2020;115:176-184. doi: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.08.011 27.

11. Zhao L, Lic X, Yang L, et al. Evaluation of remodeling and regeneration of electrospun PCL/fibrin vascular grafts in vivo. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2021; 118:111441. doi: https://doi.org/10.1016/j.msec.2020.111441

12. Antonova LV, Sevostyanova VV, Mironov AV, et al. In situ vascular tissue remodeling using biodegradable tubular scaffolds with incorporated growth factors and chemoattractant molecules. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2018;7(2):25-36. 28. doi: https://doi.org/10.17802/2306-1278-2018-7-2-25-36

13. Hao D, Fan Y, Xiao W, et al. Rapid endothelialization of small diameter vascular grafts by a bioactive integrin-bind-ing ligand specifically targeting endothelial progenitor cells and endothelial cells. Acta Biomater. 2020;108:178-193. doi: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2020.03.005

14. Maitz MF, Martins MCL, Grabow N, et al. The blood compatibility challenge. Part 4: Surface modification for hemo-compatible materials: Passive and active approaches to guide blood-material interactions. Acta Biomater. 2019;94:33-33. doi: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2019.06.019

15. Matsuzaki Yu, Miyamoto S, Miyachi H, et al. Improvement of 29. a Novel Small-diameter Tissue-engineered Arterial Graft with Heparin Conjugation. Ann Thorac Surg. 2021; 111(4): 1234-1241.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

doi: https://doi.org/10.1016/j.athoracsur.2020.06.112

16. Wang C, Li Z, Zhang L, et al. Long-term results of triple-layered small diameter vascular grafts in sheep carotid arteries. Med Eng Phys. 2020;85:1-6. doi: https://doi.org/10.1016/j.medengphy.2020.09.007

17. Matsuzaki Y, Ulziibayar A, Shoji T, et al. Heparin-Eluting Tissue-Engineered Bioabsorbable Vascular Grafts. Applied Sciences. 2021;11(10):4563. doi: https://doi.org/10.3390/app11104563

18. Maes C, Carmeliet P, Moermans K, et al. Impaired angio-genesis and endochondral bone formation in mice lacking the vascular endothelial growth factor isoforms 30. VEGF164 and VEGF188. Mech Dev. 2002; 111 (1-2):61-73.

doi: https://doi.org/10.1016/s0925-4773(01)00601-3

19. Takahashi H, Hattori S, Iwamatsu A, et al. A novel snake venom vascular endothelial growth factor (VEGF) predominantly 31. induces vascular permeability through preferential signaling via VEGF receptor-1. J Biol Chem. 2004;279(44):46304-46314.

doi: https://doi.org/10.1074/jbc.M403687200

20. Kano MR, Morishita Y, Iwata C, et al. VEGF-A and FGF- 32. 2 synergistically promote neoangiogenesis through enhancement of endogenous PDGF-B-PDGFRbeta signaling. J Cell Sci. 2005;118(Pt16):3759-3768. doi: https://doi.org/10.1242/jcs.02483

21. Ho TK, Shiwen X, Abraham D, et al. Stromal-Cell-Derived Factor-1 (SDF-1)/CXCL12 as Potential Target of Therapeutic Angiogenesis

in Critical Leg Ischaemia. Cardiol Res Pract. 2012;2012:143209. doi: https://doi.org/10.1155/2012/143209 Thomas LV, Lekshmi V, Nair PD. Tissue engineered vascular grafts-preclinical aspects. Int J Cardiol. 2013; 167(4): 1091-1100. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijcard.2012.09.069 Swartz DD, Andreadis ST. Animal models for vascular tissue-engineering. Curr Opin Biotechnol. 2013;24(5):916-925. doi: https://doi.org/10.1016/jxopbio.2013.05.005 Ahmed M, Hamilton G, Seifalian AM. The performance of a small-calibre graft for vascular reconstructions in a senescent sheep model. Biomaterials. 2014;35(33):9033-9040. doi: https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2014.07.008 Antonova LV, Mironov AV, Yuzhalin AE, et al. A Brief Report on an Implantation of Small-Caliber Biodegradable Vascular Grafts in a Carotid Artery of the Sheep. Pharmaceuticals (Basel). 2020;13(5):101. doi: https://doi.org/10.3390/ph13050101 Fukunishi T, Ong CS, Yesantharao P, et al. Different degradation rates of nanofiber vascular grafts in small and large animal models. J Tissue Eng Regen Med. 2020; 14(2):203-214. doi: https://doi.org/10.1002/term.2977

Антонова Л.В., Кривкина Е.О., Резвова М.А., и др. Био-деградируемый сосудистый протез с армирующим внешним каркасом // Комплексные проблемы сердечно-сосуди-стьа заболеваний. - 2019. - Т. 8. - № 2. - С. 87-97. [Antonova LV, Krivkina EO, Rezvova MA, et al. Biodegradable vascular graft reinforced with a biodegradable sheath. Complex 149 Issues of Cardiovascular Diseases. 2019;8(2):87-97. (In Russ.)] doi: https://doi.org/10.17802/2306-1278-2019-8-2-87-97 Патент РФ на изобретение № 2702239/07.10.2019, Бюл. № 28. 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 биоде-градируемых сосудистых протезов малого диаметра с лекарственным покрытием. [Patent RUS №2702239/ 07.10.2019. Byul. №28. Antonova LV, Sevostianova VV, Rezvova MA, Krivkina EO, Kudryavtseva YuA, Barbarash OL, Barbarash LS. Technology of producing functionally active biodegradable small-diameter vascular prostheses with drug coating. (In Russ).] Available from: https://patents.google.com/patent/RU2702239C1/ru (accessed: 22.02.2023).

Груздева О.В., Бычкова Е.Е., Пенская Т.Ю., и др. Сравнительная характеристика гемостазиологического профиля овец и пациентов с сердечно-сосудистой патологией - основа для прогнозирования тромботических рисков в ходе преклинических испытаний сосудистых протезов // Современные технологии в медицине. - 2021. - Т. 13. - № 1. - С. 52-58. [Gruzdeva OV, Bychkova EE, Penskaya TY, et al. Comparative Analysis of the Hemostasiological Profile in Sheep and Patients with Cardiovascular Pathology as the Basis for Predicting Thrombotic Risks During Preclinical Tests of Vascular Pros-theses. Sovrem Tekhnologii Med. 2021; 13(1):52—56. (In Russ.)] doi: https://doi.org/10.17691/stm2021.13.106 Antonova LV, Krivkina EO, Sevostianova VV, et al. Tissue-engineered carotid artery interposition grafts demonstrate high primary patency and promote vascular tissue regeneration in the ovine model. Polymers. 2021;13(16):2637. doi: https://doi.org/10.3390/ polym13162637 Matveeva V, Khanova M, Sardin E, et al. Endovascular interventions permit isolation of endothelial colony-forming cells from peripheral blood. Int J Mol Sci. 2018;19(11):3453. doi: https://doi.org/10.3390/ijms19113453 Матвеева В.Г., Ханова М.Ю., Антонова Л.В., и др. Фибрин -перспективный материал для тканевой сосудистой инженерии // Вестник трансплантологии и искусственных органов. - 2020. - Т. 22. - № 1. - С. 196-208. [Matveeva VG, Khanova MU, Antonova LV, et al. Fibrin - a promising material for vascular tissue engineering. Russian Journal of Trans-

REVIEW Annals of the Russian Academy of Medical Sciences. 2023;78(2):141-150.

plantology and Artificial Organs. 2020;22(1): 196-208. (In Russ.)] doi: https://doi.org/10.15825/1995-1191-2020-1-196-208

33. Матвеева В.Г., Сенокосова Е.А., Ханова М.Ю., и др. Влияние способа полимеризации на свойства фибриновых матриц (пилотное исследование in vitro) // Комплексные проблемы сердеч-но-сосудистьх заболеваний. — 2022. — Т. 11. — № 4S. — С. 134— 145. [Matveeva VG, Senokosova EA, Khanova MYu, et al. Influence of the polymerization method on the properties of fibrin matrices. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2022; 11 (4S): 134-145. (In Russ.)] doi: https://doi.org/10.17802/2306-1278-2022-11-4S-134-145

34. Matveeva VG, Senokosova EA, Sevostianova VV, et al. Advantages of Fibrin Polymerization Method with-

out the Use of Exogenous Thrombin for Vascular Tissue Engineering Applications. Biomedicines. 2022; 10(4):789. doi: https://doi.org/10.3390/biomedicines10040789 35. Ханова М.Ю., Великанова Е.А., Матвеева В.Г., и др. Формирование монослоя эндотелиальных клеток на поверхности сосудистого протеза малого диаметра в условиях потока // Вестник трансплантологии и искусственных органов. - 2021. - Т. 23. -№ 3. - С. 101-114. [Khanova MYu, Velikanova EA, Matveeva VG, et al. Endothelial cell monolayer formation on a small-diameter vascular graft surface under pulsatile flow conditions. Russian Journal of Transplantology and Artificial Organs. 2021;23(3):101—114. (In Russ.)] doi: https://doi.org/10.15825/1995-1191-2021-3-101-114

КОНТАКТНАЯ ИНФОРМАЦИЯ Антонова Лариса Валерьевна, д.м.н. [Larisa V. Antonova, MD, PhD]; адрес: 650002, Кемерово, Сосновый бул., д. 6 [address: 6, Sosnoviy blvd, 650002, Kemerovo, Russia]; e-mail: [email protected], SPIN-код: 8634-3286, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8874-0788

Барбараш Ольга Леонидовна, д.м.н., профессор, академик РАН [Olga L. Barbarash, MD, PhD, Professor, Academician of the RAS]; e-mail: [email protected], SPIN-код: 5373-7620, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4642-3610

Барбараш Леонид Семенович, д.м.н., профессор, академик РАН [Leonid S. Barbarash, MD, PhD, Professor, Academican of the RAS]; e-mail: [email protected], ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6981-9661

150

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.