ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБРАБОТКИ АЛЛО- И КСЕНОГЕННЫХ БИОМАТЕРИАЛОВ В СУБ- И СВЕРХКРИТИЧЕСКОМ ДИОКСИДЕ УГЛЕРОДА НА СПОСОБНОСТЬ К ПОДАВЛЕНИЮ КАЛЬЦИНОЗА

Основные положения

• Гибридная децеллюляризация аллографтов в сверхкритическом СО₂ с малой добавкой детергента Tween 80 эффективна в снижении кальциноза.
• Особое покрытие на основе наночастиц хитозана, полученных и нанесенных из растворов воды, насыщенной субкритическим СО_2, позволяет снизить кальциноз стандартного ГА-стабилизированного перикарда.

Цель. Сравнительный анализ антикальцификационных свойств имплантатов на основе алло- и ксеноткани после обработки в сверх- и субкритическом диоксиде углерода (СО₂).

Материалы и методы. Выполнена модификация сосудов крыс методом гибридной децеллюляризации в сверхкритическом СО₂ с детергентами и перикарда телят методом прямого нанесения покрытия из хитозановых наночастиц с серебром из растворов воды, насыщенной диоксидом углерода под давлением (угольная кислота). Проведено исследование кальциноза на крысах (n = 10 для каждого типа образца) in vivo. Для моделирования поведения биоматериала в организме человека применен подход имплантации крысам их аллогенных модифицированных аорт. Для определения кальция в извлекаемых образцах использован спектрофотометрический метод оценки концентрации кальция. Для оценки цитотоксичности образцов перикарда с нанопокрытием – метод измерения импеданса клеток, заселенных на образцы биоматериалов.

Результаты. Установлено, что обработка крысиных сосудов в сверхкритическом СО₂ снижает отложения солей кальция на 30% по сравнению с исходным аллографтом. Для перикарда с покрытием из наночастиц хитозана характерно еще большее снижение кальциноза – биоматрица с покрытием на основе наночастиц хитозана с серебром содержит 0,015 ± 0,005 мас.% солей кальция, что значительно ниже, чем у ГА-стабилизированного перикарда (0,070 ± 0,015 мас.%) после эксперимента. Установлено, что биокомпозиты с нанопокрытием характеризуются приблизительно одинаковым клеточным индексом по сравнению с образцом ксеноткани без покрытия. Все образцы проявляли цитостатический эффект, в том числе с нанопокрытием, что доказывает инкапсуляцию серебра в полимерную матрицу и обеспечивает отсутствие негативного влияния на организм при нормальном функционировании. Покрытие биоматрикса на основе «пустых» наночастиц хитозана способствует увеличению пролиферации клеток.

Заключение. Применение сверхкритической технологии для очистки биоматериалов, а также создания и нанесения полимерных протекторных покрытий с целью усиления способности к подавлению кальциноза представляется перспективным. Использование такого подхода модификации биопротезов является более выигрышной стратегией относительно стандартных общепринятых методов их химической модификации.

1. Muzzio N., Moya S., Romero G. Multifunctional Scaffolds and Synergistic Strategies in Tissue Engineering and Regenerative Medicine. Pharmaceutics. 2021;13(6):792. doi: 10.3390/pharmaceutics13060792.

2. Barratt-Boyes B.G., Christie G.W. What is the best bioprosthetic operation for the small aortic root?: allograft, autograft, porcine, pericardial? Stented or unstented?. J Card Surg. 1994;9(2 Suppl):158-164. doi:10.1111/j.1540-8191.1994.tb00917.x.

3. Haziza F., Papouin G., Barratt-Boyes B., Christie G., Whitlock R. Tears in bioprosthetic heart valve leaflets without calcific degeneration. J Heart Valve Dis. 1996;5(1):35-39.

4. Aldridge A., Desai A., Owston H., Jennings L., Fisher J., Rooney P., Kearney J., Ingham E., Wilshaw S. Development and characterisation of a large diameter decellularised vascular allograft. Cell Tissue Bank. 2018;9(3):287-300. doi: 10.1007/s10561-017-9673-y.

5. Sulaiman N., Bond A., Bruno V., Joseph J., Johnson J., Suleiman M., George S., Ascione R. Effective decellularisation of human saphenous veins for biocompatible arterial tissue engineering applications: Bench optimisation and feasibility in vivo testing. J Tissue Eng. 2021; 29;12:2041731420987529. doi: 10.1177/2041731420987529.

6. Ohri R., Hahn S.K., Hoffman A.S., Stayton P.S., Giachelli C.M. Hyaluronic acid grafting mitigates calcification of glutaraldehyde-fixed bovine pericardium. J. Biomed. Mater. Res. 2004;70A:328-334. doi: 10.1002/jbm.a.30088.

7. Vasudev S.C., Moses L.R., Sharma C.P. Covalently bonded heparin to alter the pericardial calcification. Artif Cells Blood Substit Immobil Biotechnol. 2000;28(3):241-253. doi:10.3109/10731190009119355.

8. Gilpin A., Yang Y. Decellularization strategies for regenerative medicine: from processing techniques to applications. Biomed. Res. Int. 2017;9831534. doi: 10.1155/2017/9831534.

9. Gilbert T., Badylak S. An overview of tissue and whole organ decellularization processes. Biomaterials. 2011;32:3233–3243. doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.01.057.

10. Zhou J., Fritze O., Schleicher M., Wendel H-P., Schenke-Layland K., Harasztosi C., Hu S., Stock U. Impact of heart valve decellularization on 3-D ultrastructure, immunogenicity and thrombogenicity. Biomaterials. 2010;31:2549–2554. doi: 10.1016/j.biomaterials.2009.11.088.

11. Hwang J., San B., Turner N., White L., Faulk D., Badylak S., Li Y., Yu S. Molecular assessment of collagen denaturation in decellularized tissues using a collagen hybridizing peptide. Acta Biomater. 2017;53:268–278. doi: 10.1016/j.actbio.2017.01.079.

12. Casali D., Handleton R., Shazly T., Matthews M. A novel supercritical CO2-based decellularization method for maintaining scaffold hydration and mechanical properties. J. Supercrit. Fluids. 2018;131:72–81. doi: 10.1016/j.supflu.2017.07.021.

13. Chaschin I., Khugaev G., Krasheninnikov S., Petlenko A., Badun G., Chernysheva M., Dzhidzhikhiya K., Bakuleva N. Bovine jugular vein valved conduit: a new hybrid method of devitalization and protection by chitosan-based coatings using super- and subrcritical CO2. Journal of Supercritical Fluids. 2020;164: 104893. doi: 10.1016/j.supflu.2020.104893.

14. Chaschin I., Britikov D., Khugaev G., Salokhedinova R., Zubko A., Abramchuk S., Petlenko A., Muratov R., Bakuleva N. Decellularization of the human donor aortic conduit by a new hybrid treatment in a multicomponent system with supercritical CO2 and Tween 80. Journal of Supercritical Fluids. 2022;180: 105452. doi: 10.1016/j.supflu.2021.105452.

15. Gott J.P., Girardot M.N., Girardot J.M., Hall J.D., Whitlark J.D., Horsley W.S., Dorsey L.M., Levy R.J., Chen W., Schoen F.J., Guyton R.A. Refinement of the alpha aminooleic acid bioprosthetic valve anticalcification technique. Ann Thorac Surg. 1997;64(1):50-58. doi:10.1016/s0003-4975(97)00118-5.

16. Barbarash L.S., Zhuravleva I.Iu., Medvedeva V.M., Shaposhnikov A.N. Ways to prevent the calcification of heart valve bioprostheses. Biull Eksp Biol Med. 1988;106(12):732-734.

17. Vasudev S.C., Chandy T., Sharma C.P., Mohanty M., Umasankar P.R. Synergistic effect of released aspirin/heparin for preventing bovine pericardial calcification. Artif Organs. 2000;24(2):129-136. doi:10.1046/j.1525-1594.2000.06348.x.

18. Webb C.L., Flowers W.E., Horton C., Schoen F.J., Levy R.J. Long-term efficacy of Al3+ for prevention of bioprosthetic heart valve calcification. ASAIO Trans. 1990;36(3):M408-M410.

19. Hirsch D., Drader J., Pathak Y.V., Yee R., Schoen F.J., Levy R.J. Synergistic inhibition of the calcification of glutaraldehyde pretreated bovine pericardium in a rat subdermal model by FeCl3 and ethanehydroxydiphosphonate: preincubation and polymeric controlled release studies. Biomaterials. 1993;14(9):705-711. doi:10.1016/0142-9612(93)90069-e.

20. Timchenko T.P. Bisphosphonates as potential inhibitors of calcification in bioprosthetic heart valves (Review). Sovrem Tekhnologii Med. 2022; 14(2):68-78. doi: 10.17691/stm2022.14.2.07.

21. Chaschin I., Sinolits M., G.A. Badun G., Chernysheva M., Anuchina N., Krasheninnikov S., Khugaev G., Petlenko A., Britikov D., Zubko A., Kurilov A., Dreger E., Bakuleva N. Chitosan/hyaluronic acid polyanion bilayer applied from carbon acid as an advanced coating with intelligent antimicrobial properties for improved biological prosthetic heart valves. International Journal of Biological Macromolecules. 2022; 222:2761–2774. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2022.10.056.

22. Perepelkin E., Sinolits M., Badun G., Chernysheva M., Anuchina N., Abramchuk S., Levin E., Bakuleva N, Popov D., Chaschin I. Composite chitosan-based nanoparticles as a basis for innovative antimicrobial coating for bioprosthesis: Preparation and application using carbonic acid as a “green” self-neutralizing solvent. European Polymer Journal. 2023; 193:112104. doi:10.1016/j.eurpolymj.2023.112104.

23. Kashin A.S., Ananikov V.P. A SEM study of nanosized metal films and metal nanoparticles obtained by magnetron sputtering. Russ. Chem. Bull. 2011; 60:2602–2607. doi:10.1007/s11172-011-0399-x.

24. Gallyamov M. O., Chaschin I. S., Bulat M. V., Bakuleva N. P., Badun G. A., Chernysheva M. G., Kiselyova O. I., Khokhlov A.R.. Chitosan coatings with enhanced biostability in vivo. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2018; 106:270-277. doi:10.1002/jbm.b.33852.

25. Chanda J. Prevention of calcification of heart valve bioprostheses: an experimental study in rat. The Annals of Thoracic Surgery. 1995;60:S339–S342. doi:10.1016/0003-4975(95)00256-K.

26. Бокерия Л.А., Бакулева Н.П., Костава В.Т., Гамзазаде А.И., Галлямов М.О., Хохлов А.Р.; Государственное учреждение Научный центр сердечно-сосудистой хирургии им. А.Н. Бакулева Российской академии медицинских наук. Способ химической обработки ксеноперикарда. Патент № 2008112997/15 РФ, МПК A 61 L 27/36, A 61 F 2/24; заявл. 07.04.2008 ; опубл. 20.03.2010, Бюл. № 8.