ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ДЕГРАДАЦИИ, БИОСОВМЕСТИМОСТИ И КАЛЬЦИФИКАЦИИ БИОМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СОСУДИСТОЙ ХИРУРГИИ

Основные положения

Фиброин шелка устойчив к ранней деградации, очаговой кальцификации, адсорбирует альбумин, не вызывает выраженного локального и системного воспаления при подкожной имплантации крысам, в чем сопоставим и даже превосходит по своим свойствам бычий перикард, используемый в сосудистой хирургии.

Резюме

Цель. Исследовать гидролитическую деградацию фиброина шелка (ФШ), оценить в сравнительном аспекте поверхностную адсорбцию белков матриксами из ФШ и бычьего перикарда (БП), кальцификацию биоматериалов, а также их биосовместимость, динамику биодеградации и системное воспаление после подкожной имплантации крысам.

Материалы и методы. Матриксы из ФШ изготавливали методом электроспиннинга. Материалом сравнения выступал БП-лоскут. Исследовали потерю массы ФШ и изменение рН инкубационного раствора при его гидролитической деградации in vitro на сроках 1, 3, 6 и 12 мес. Оценивали поверхностную адсорбцию альбумина и фибриногена матриксами in vitro. Образцы ФШ и БП имплантировали под кожу крысам на срок 7, 14, 30 и 60 сут. После эксплантации матриксов проводили гистологическое исследование образцов и оценивали их кальцификацию. В сыворотке крови крыс исследовали уровни ИЛ-6 и ИЛ-8, ФНО-α и МСР-1 методом иммуноферментного анализа.

Результаты. Гидролитическая деградация ФШ in vitro приводила к потере 6% массы матрикса, сопровождалась снижением рН инкубационного раствора до 6,56. На поверхности ФШ адсорбировалось в 2 раза больше альбумина и в 6 раз больше фибриногена, чем на поверхности БП. Признаки биодеградации ФШ и тонкая соединительнотканная капсула вокруг матрикса появились спустя 30 дней после подкожной имплантации крысам. Выраженного воспаления и очагов кальцификации ФШ не выявлено. Подкожная имплантация БП сопровождалась формированием выраженной соединительнотканной капсулы вокруг образца, разволокнением и деградацией материала спустя 60 сут. Локализованных очагов кальцификации не обнаружено на всех сроках подкожной имплантации. Содержание провоспалительных цитокинов в сыворотке крови крыс после подкожной имплантации ФШ и БП снижалось к 60-му дню исследования без статистически значимых межгрупповых различий.

Заключение. Благодаря устойчивости к преждевременной деградации и кальцификации, повышенной поверхностной адсорбции альбумина, оптимальной биосовместимости и отсутствию выраженного периимплантационного и системного воспаления ФШ сопоставим, а по ряду признаков даже превосходит БП, широко используемый в сосудистой хирургии.

1. Guhathakurta S., Galla S. Progress in cardiovascular biomaterials. Asian Cardiovasc Thorac Ann. 2019;27(9):744-750. doi:10.1177/0218492319880424.

2. Ghanaati S., Orth C., Unger R.E., Barbeck M., Webber M.J., Motta A., Migliaresi C., James Kirkpatrick C. Fine-tuning scaffolds for tissue regeneration: effects of formic acid processing on tissue reaction to silk fibroin. J Tissue Eng Regen Med. 2010;4(6):464-72. doi: 10.1002/term.257.

3. Toong D.W.Y., Toh H.W., Ng J.C.K., Wong P.E.H., Leo H.L., Venkatraman S., Tan L.P., Ang H.Y., Huang Y. Bioresorbable Polymeric Scaffold in Cardiovascular Applications. Int J Mol Sci. 2020;21(10):3444. doi:10.3390/ijms21103444.

4. Резвова М. А., Овчаренко Е. А., Глушкова Т. В., Кудрявцева Ю.A., Барбараш Л.С. Оценка резистентности к кальцификации ксеноперикарда, обработанного полигидроксисоединениями. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2021;23(1):75-83. doi:10.15825/1995-1191-2021-1-75-83.

5. Кудрявцева Ю. А., Каноныкина А. Ю., Ефремова Н. А., Кошелев В. А. Биосовместимость и особенности деградации полимерных противоспаечных мембран с антибактериальной активностью. Фундаментальная и клиническая медицина. 2023;8(4):54-64. doi: 10.23946/2500-0764-2023-8-4-54-64

6. Khan G.M.A., Yilmaz N.D., Yilmaz К. Recent developments in biocomposites of Bombyx mori silk fibroin. In: editors V.K. Thakur, M.K. Thakur, M.R. Kessler Handbook of Composites from Renewable Materials. Scrivener Publishing LLC, 2017. P. 377-410.

7. Moreno-Tortolero R.O., Luo Y., Parmeggiani F., Skaer N., Walker R., Serpell L.C., Holland C., Davis S.A. Molecular organization of fibroin heavy chain and mechanism of fibre formation in Bombyx mori. Commun Biol. 2024;7(1):786. doi: 10.1038/s42003-024-06474-1.

8. Li S., Yu D., Ji H., Zhao B., Ji L., Leng X. In vivo degradation and neovascularization of silk fibroin implants monitored by multiple modes ultrasound for surgical applications. Biomed Eng Online. 2018;17(1):87. doi: 10.1186/s12938-018-0478-4.

9. Park S.H., Gil E.S., Kim H.J., Lee K., Kaplan D.L. Relationships between degradability of silk scaffolds and osteogenesis. Biomaterials. 2010;31(24):6162-6172. doi: 10.1016/j.biomaterials.2010.04.028.

10. Horan R.L., Bramono D.S., Stanley J.R., Simmons Q., Chen J., Boepple H.E., Altman G.H. Biological and biomechanical assessment of a long-term bioresorbable silk-derived surgical mesh in an abdominal body wall defect model. Hernia. 2009;13(2):189-199. doi: 10.1007/s10029-008-0459-9.

11. Антонова Л. В., Великанова Е. А., Сенокосова Е. А., Мухамадияров Р.А., Кривкина Е.О., Кошелев В.А., Миронов А.В., Шабаев А.Р., Сардин Е.С., Прокудина Е.С., Ханова М.Ю., Барбараш Л.С. Особенности ремоделирования матриксов из полиуретана в экспериментах на модели овцы. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2023;12(S4):110-119. doi: 10.17802/2306-1278-2023-12-4S-110-119.

12. Kiritani S., Kaneko J., Ito D., Morito M., Ishizawa T., Akamatsu N., Tanaka M., Iida T., Tanaka T., Tanaka R., Asakura T., Arita J., Hasegawa K. Silk fibroin vascular graft: a promising tissue-engineered scaffold material for abdominal venous system replacement. Sci Rep. 2020;10(1):21041. doi: 10.1038/s41598-020-78020-y.

13. Lu X., Zou H., Liao X., Xiong Y., Hu X., Cao J., Pan J., Li C., Zheng Y. Construction of PCL-collagen@PCL@PCL-gelatin three-layer small diameter artificial vascular grafts by electrospinning. Biomed Mater. 2022;18(1):015008. doi: 10.1088/1748-605X/aca269.

14. Yang L., Wang X., Xiong M., Liu X., Luo S., Luo J., Wang Y. Electrospun silk fibroin/fibrin vascular scaffold with superior mechanical properties and biocompatibility for applications in tissue engineering. Sci Rep. 2024;14(1):3942. doi: 10.1038/s41598-024-54638-0.

15. Li S., Yu D., Ji H., Zhao B., Ji L., Leng X. In vivo degradation and neovascularization of silk fibroin implants monitored by multiple modes ultrasound for surgical applications. Biomed Eng Online. 2018;17(1):87. doi: 10.1186/s12938-018-0478-4.

16. Шацкий А. И. Гидролитическая деградация модифицированных полимерных матриксов медико-биологического назначения. Успехи в химии и химической технологии. 2011;25(3(119)):55-59.

17. Cai L., Gao N., Sun T., Bi K., Chen X., Zhao X. Application of an ultrasound semi-quantitative assessment in the degradation of silk fibroin scaffolds in vivo. Biomed Eng Online. 2021;20(1):48. doi: 10.1186/s12938-021-00887-3.

18. Botes L., Laker L., Dohmen P.M., van den Heever J.J., Jordaan C.J., Lewies A., Smit F.E. Advantages of decellularized bovine pericardial scaffolds compared to glutaraldehyde fixed bovine pericardial patches demonstrated in a 180-day implant ovine study. Cell Tissue Bank. 2022;23(4):791-805. doi: 10.1007/s10561-021-09988-8.

19. Deutsch O., Bruehl F., Cleuziou J., Prinzing A., Schlitter A.M., Krane M., Lange R. Histological examination of explanted tissue-engineered bovine pericardium following heart valve repair. Interact Cardiovasc Thorac Surg. 2020;30(1):64-73. doi: 10.1093/icvts/ivz234.

20. Zhuravleva I.Y., Karpova E.V., Dokuchaeva A.A., Titov A.T., Timchenko T.P., Vasilieva M.B. Calcification of various bioprosthetic materials in rats: is it really different? Int J Mol Sci. 2023;24(8):7274. doi: 10.3390/ijms24087274.

21. Hernandez J.L., Park J., Yao S., Blakney A.K., Nguyen H.V., Katz B.H., Jensen J.T., Woodrow K.A. Effect of tissue microenvironment on fibrous capsule formation to biomaterial-coated implants. Biomaterials. 2021;273:120806. doi: 10.1016/j.biomaterials.2021.120806.

22. Lv J., Wang J., Zeng Y., Tian S., Wang F., Zhai Y., Zhou Q., Luo X., Zhang X., Liu B., Zhou C. In vitro chemical treatment of silk increases the expression of pro-inflammatory factors and facilitates degradation in rats. J Appl Biomater Funct Mater. 2024;22:1-10. doi: 10.1177/22808000231222704.

23. Колотов К.А., Распутин П.Г. Моноцитарный хемотаксический протеин 1 в физиологии и медицине. Пермский медицинский журнал. 2018;35(3):99-105. doi: 10.17816/pmj35399%105

24. Sevastianov V.I., Rosanova I.B., Vasin S.L., Nemets E.A., Vasilets V.N. Protein adsorption as bridge between the short-term and long-term blood compatibility of biomaterials. In: eds. Park K.D., Know I.C., Yui N., Park S.Y., Park K Biomaterials and drug delivery toward new millennium.. Seoul, Korea: Yan Rim Won Publ. Co., 2000. P. 497-515.

25. Прокудина Е. С., Сенокосова Е. А., Антонова Л. В., Кривкина Е.О., Великанова Е.А., Акентьева Т.Н., Глушкова Т.В., Матвеева В.Г., Кочергин Н.А. Новый тканеинженерный сосудистый матрикс на основе регенерированного фиброина шелка: исследование in vitro. Современные технологии в медицине. 2023;15(4):41-49. doi: 10.17691/stm2023.15.4.04