БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 11, с. 1683–1699
УДК 57.016
Гибридные имплантаты на основе кальций-магниевой силикатной керамики диопсида в качестве носителя рекомбинантного BMP‑2 и деминерализованного костного матрикса в качестве каркаса: динамика репаративного остеогенеза на модели краниотомии у мышей
1 Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи Минздрава России, 123098 Москва, Россия
2 НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия
3 Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии, 127550 Москва, Россия
4 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», 119049 Москва, Россия
5 Рижский технический университет, LV-1007 Рига, Латвия
6 Балтийский центр передового опыта в области биоматериалов, штаб-квартира в Рижском техническом университете, LV-1048 Рига, Латвия
7 Сколковский институт науки и технологий, 121205 Москва, Россия
Поступила в редакцию 05.07.2022
После доработки 30.08.2022
Принята к публикации 09.09.2022
DOI: 10.31857/S0320972522110136
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: диопсид, кальций-магниевая силикатная керамика, имплантат, BMP‑2, деминерализованный костный матрикс, краниальные дефекты, регенерация костной ткани.
Аннотация
Кальций-магниевая силикатная керамика диопсид является перспективным материалом для использования в костной пластике, однако до сих пор возможность его применения в качестве носителя рекомбинантного костного морфогенетического белка‑2 (BMP‑2) не была исследована, как и особенности репаративного остеогенеза с использованием материалов на основе диопсида с BMP‑2. Порошок кальций-магниевой силикатной керамики был получен твердофазным методом с использованием в качестве исходных компонентов биоотходов – рисовой шелухи и яичной скорлупы. Основная фаза полученной керамики представляла собой диопсид. Частицы имели неправильную форму со средним размером около 2,3 мкм и ~20% объёмной пористостью со средним размером пор около 24 нм, что позволяет классифицировать материал как мезопористый. 1 мг частиц диопсида сорбирует более 150 мкг рекомбинантного BMP‑2, что превышает сорбционную ёмкость гидроксилапатита, кальций-фосфатной керамики, часто используемой в составе гибридных имплантатов, более чем в 3 раза. Кинетика выхода BMP‑2 in vitro характеризуется взрывным выходом в первые 2 суток и постепенным выходом примерно по 0,4–0,5% от нанесённого белка в последующие 7 суток. Эксперименты in vivo проводили на мышиной модели краниальных дефектов критического размера с имплантацией суспензии порошка диопсида с/без BMP‑2 в гиалуроновой кислоте, введённой в диски из деминерализованного костного матрикса (ДКМ), обладающего 73–90% объёмной пористостью с размером макропор от 50 до 650 мкм. Гистологически исследована динамика процессов неоостеогенеза и ремоделирования костной ткани на сроках 12, 21, 48 и 63 дня. Частицы диопсида равномерно распределяются в матрице и вызывают минимальную реакцию на введение инородного тела. При наличии BMP‑2 к 63 суткам в порах имплантата образуются значительные фокусы новообразованной костной ткани с очагами костного мозга и вовлечением в ремоделирование больших областей ДКМ в центре имплантата и материнской кости по краям. Диопсид может рассматриваться как перспективный материал для введения в гибридные имплантаты в качестве эффективного носителя BMP‑2.
Текст статьи
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-15-00216).
Вклад авторов
А.С. Карягина, Ф.С. Сенатов, А.В. Громов – концепция и руководство работой; А.С. Карягина – написание статьи; П.А. Орлова, А.В. Жулина, М.С. Попонова, И.Н. Булыгина, Р. Чоудхари, П.А. Ковалёва, А.И. Зимина, Т.М. Грунина, К.Е. Никитин, Н.В. Струкова, М.С. Генералова, А.В. Рязанова, Е.М. Лукинова, Е.Д. Плахотнюк, М.А. Кирсанова, Е.А. Колесников, Е.В. Захарова – проведение экспериментов; П.А. Орлова, М.С. Попонова, И.Н. Булыгина, П.А. Ковалёва, А.И. Зимина, Т.М. Грунина, К.Е. Никитин, А.В. Громов – написание фрагментов статьи, подготовка иллюстраций; А.С. Карягина, Ф.С. Сенатов, А.В. Громов, В.Н. Манских – обсуждение результатов исследования, редактирование текста статьи.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Соблюдение этических норм
Все процедуры, выполненные в исследованиях с участием животных, соответствовали этическим стандартам учреждения, в котором проводились исследования, и утвержденным правовым актам РФ и международных организаций.
Список литературы
1. Ma, J., Both, S. K., Yang, F., Cui, F. Z., Pan, J., et al. (2014) Concise review: cell-based strategies in bone tissue engineering and regenerative medicine, Stem Cells Translat. Med., 3, 98-107, doi: 10.5966/sctm.2013-0126.
2. Arrington, E. D., Smith, W. J., Chambers, H. G., Bucknell, A. L., and Davino, N. A. (1996) Complications of iliac crest bone graft harvesting, Clin. Orthopaedics Related Res., 329, 300-309, doi: 10.1097/00003086-199608000-00037.
3. Zhang, H., Yang, L., Yang, X. G., Wang, F., Feng, J. T. et al. (2019) Demineralized bone matrix carriers and their clinical applications: an overview, Orthopaedic Surg., 11, 725-737, doi: 10.1111/os.12509.
4. Plantz, M. A., Minardi, S., Lyons, J. G., Greene, A. C., Ellenbogen, D. J., et al. (2021) Osteoinductivity and biomechanical assessment of a 3D printed demineralized bone matrix-ceramic composite in a rat spine fusion model, Acta Biomater., 127, 146-158, doi: 10.1016/j.actbio.2021.03.060.
5. Driscoll, J. A., Lubbe, R., Jakus, A. E., Chang, K., Haleem, M., et al. (2020) 3D-printed ceramic-demineralized bone matrix hyperelastic bone composite scaffolds for spinal fusion, Tissue Engin. A, 26, 157-166, doi: 10.1089/ten.TEA.2019.0166.
6. Bartov, M. S., Gromov, A. V., Poponova, M. S., Savina, D. M., Nikitin, K. E., et al. (2016) Modern approaches to research of new osteogenic biomaterials on the model of regeneration of cranial critical-sized defects in rats, Bull. Exp. Biol. Med., 162, 273-276, doi: 10.1007/s10517-017-3693-2.
7. Громов А. В., Никитин К. Е., Карпова Т. А., Зайцев В. В., Сидорова Е. И. и др. (2012) Разработка методики получения остеопластического материала на основе деминерализованного костного матрикса с максимальным содержанием нативных факторов роста костной ткани, Биотехнология, 5, 66-75.
8. Gromov, A. V., Bartov, M. S., Orlova, P. A., Manskikh, V. N., Krivozubov, M. S., et al. (2019) Combined effect of bone morphogenetic protein-2 and erythropoietin on regeneration of cranial bone defects in mice, Bull. Exp. Biol. Med., 167, 408-412, doi: 10.1007/s10517-019-04538-5.
9. Gromov, A. V., Poponova, M. S., and Karyagina, A. S. (2020) Recombinant human bone growth factor BMP-2 produced in Escherichia coli. Part 1: from protein purification to experimental models for efficacy research, Mol. Genet. Microbiol. Virol., 35, 22-31, doi: 10.3103/S0891416820010036.
10. Li, R. H., and Wozney, J. M. (2001) Delivering on the promise of bone morphogenetic proteins, Trends Biotechnol., 19, 255-265, doi: 10.1016/s0167-7799(01)01665-1.
11. Kirker-Head, C. A. (2000) Potential applications and delivery strategies for bone morphogenetic proteins, Adv. Drug Deliv. Rev., 43, 65-92, doi: 10.1016/s0169-409x(00)00078-8.
12. Halloran, D., Durbano, H. W., and Nohe, A. (2020) Bone morphogenetic protein-2 in development and bone homeostasis, J. Dev. Biol., 8, 19, doi: 10.3390/jdb8030019.
13. Robinson, Y., Heyde, C. E., Tschöke, S. K., Mont, M. A., Seyler, T. M., et al. (2008) Evidence supporting the use of bone morphogenetic proteins for spinal fusion surgery, Exp. Rev. Med. Devices, 5, 75-84, doi: 10.1586/17434440.5.1.75.
14. Jin, Y. Z., Zheng, G. B., and Lee, J. H. (2019) Escherichia coli BMP-2 showed comparable osteoinductivity with Chinese hamster ovary derived BMP-2 with demineralized bone matrix as carrier, Growth Factors, 4, 1-10, doi: 10.1080/08977194.2019.1596905.
15. Vallejo, L. F., Brokelmann, M., Marten, S., Trappe, S., Cabrera-Crespo, J., et al. (2002) Renaturation and purification of bone morphogenetic protein-2 produced as inclusion bodies in high-cell-density cultures of recombinant Escherichia coli, J. Biotechnol., 94, 185-194, doi: 10.1016/s0168-1656(01)00425-4.
16. Шарапова Н. Е., Котнова А. П., Галушкина З. М., Лаврова Н. В., Полетаева Н. Н. и др. (2010) Получение рекомбинантного костного морфогенетического белка 2 человека в клетках Escherichia coli и тестирование его биологической активности in vitro и in vivo, Молек. биол., 44, 1036-1044.
17. Karyagina, A. S., Boksha, I. S., Grunina, T. M., Demidenko, A. V., Poponova, M. S., et al. (2016) Optimization of rhBMP-2 active-form production in a heterologous expression system using microbiological and molecular genetic approaches, Mol. Genet. Microbiol. Virol., 31, 208-213, doi: 10.3103/S0891416816040030.
18. Karyagina, A. S., Boksha, I. S., Grunina, T. M., Demidenko, A. V., Poponova, M. S., et al. (2017) Two variants of recombinant human bone morphogenetic protein 2 (rhBMP-2) with additional protein domains: synthesis in an Escherichia coli heterologous expression system, Biochemistry (Moscow), 82, 613-624, doi: 10.1134/S0006297917050091.
19. Bartov, M. S., Gromov, A. V., Manskih, V. N., Makarova, E. B., Rubshtein, A. P., et al. (2017) Recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) with additional protein domain synthesized in E. coli: in vivo osteoinductivity in experimental models on small and large laboratory animals, Bull. Exp. Biol. Med., 164, 148-151, doi: 10.1007/s10517-017-3945-1.
20. Гайфуллин Н. М., Карягина А. С., Громов А. В., Терпиловский А. А., Маланин Д. А. и др. (2016) Морфологические особенности остеоинтеграции при использовании титановых имплантатов с биоактивным покрытием и рекомбинантного костного морфогенетического белка rhBMP-2, Морфология, 149, 7-84.
21. Karpov, T. E., Peltek, O. O., Muslimov, A. R., Tarakanchikova, Y. V., Grunina, T. M., et al. (2020) Development of optimized strategies for growth factor incorporation onto electrospun fibrous scaffolds to promote prolonged release, ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 5578-5592, doi: 10.1021/acsami.9b20697.
22. Senatov, F., Amanbek, G., Orlova, P., Bartov, M., Grunina, T., et al. (2020) Biomimetic UHMWPE/HA scaffolds with rhBMP-2 and erythropoietin for reconstructive surgery, Mater. Sci. Engin. C, 111, 110750, doi: 10.1016/j.msec.2020.110750.
23. Chubrik, A., Senatov, F., Kolesnikov, E., Orlova, P., Poponova, M., et al. (2020) Highly porous PEEK and PEEK/HA scaffolds with Escherichia coli-derived recombinant BMP-2 and erythropoietin for enhanced osteogenesis and angiogenesis, Polymer Testing, 87, 106518, doi: 10.1016/j.polymertesting.2020.106518.
24. Zimina, A., Senatov, F., Choudhary, R., Kolesnikov, E., Anisimova, N., et al. (2020) Biocompatibility and physico-chemical properties of highly porous PLA/HA scaffolds for bone reconstruction, Polymers, 12, 2938, doi: 10.3390/polym12122938.
25. Senatov, F., Maksimkin, A., Chubrik, A., Orlova, P., Krivozubov, M., et al. (2021) Osseointegration evaluation of UHMWPE and PEEK-based scaffolds with BMP-2 using model of critical-size cranial defect in mice and push-out test, J. Mech. Behav. Biomed. Materials, 119, 104477, doi: 10.1016/j.jmbbm.2021.104477.
26. Senatov, F., Zimina, A., Chubrik, A., Kolesnikov, E., Permyakova, E., et al. (2022) Effect of recombinant BMP-2 and erythropoietin on osteogenic properties of biomimetic PLA/PCL/HA and PHB/HA scaffolds in critical-size cranial defects model, Biomater. Adv., 135, 112680, doi: 10.1016/j.msec.2022.112680.
27. Gromov, A. V., Poponova, M. S., and Karyagina, A. S. (2020) Recombinant human bone growth factor BMP-2 synthesized in Escherichia coli cells. Part 2: from combined use with other protein factors in animal models to application in medicine, Mol. Genet. Microbiol. Virol., 35, 61-68, doi: 10.3103/S0891416820020056.
28. Huh, J.-B., Lee, H.-J., Jang, J.-W., Kim, M.-J., Yun, P.-Y., et al. (2011) Randomized clinical trial on the efficacy of Escherichia coli-derived rhBMP-2 with β-TCP/HA in extraction socket, J. Adv. Prosthodont., 3, 161-165, doi: 10.4047/jap.2011.3.3.161.
29. Kim, H.-S., Park, J.-C., Yun, P.-Y., and Kim, Y.-K. (2017) Evaluation of bone healing using rhBMP-2 soaked hydroxyapatite in ridge augmentation: a prospective observational study, Maxillofac. Plast. Reconstr. Surg., 39, 40, doi: 10.1186/s40902-017-0138-9.
30. Klein, C. P., Driessen, A. A., de Groot, K., and van den Hooff, A. (1983) Biodegradation behavior of various calcium phosphate materials in bone tissue, J. Biomed. Mater. Res., 17, 769-784, doi: 10.1002/jbm.820170505.
31. Daculsi, G., LeGeros, R. Z., Nery, E., Lynch, K., and Kerebel, B. (1989) Transformation of biphasic calcium phosphate ceramics in vivo: ultrastructural and physicochemical characterization, J. Biomed. Mater. Res., 23, 883-894, doi: 10.1002/jbm.820230806.
32. Fernandez-Yague, M. A., Abbah, S. A., McNamara, L., Zeugolis, D. I., Pandit, A., et al. (2015) Biomimetic approaches in bone tissue engineering: Integrating biological and physicomechanical strategies, Adv. Drug Deliv. Rev., 84, 1-29, doi: 10.1016/j.addr.2014.09.005.
33. Fosca, M., Rau, J. V., and Uskoković, V. (2022) Factors influencing the drug release from calcium phosphate cements, Bioactive Materials, 7, 341-363, doi: 10.1016/j.bioactmat.2021.05.032.
34. Wu, C., and Chang, J. (2013) A review of bioactive silicate ceramics, Biomed. Mater., 8, 032001, doi: 10.1088/1748-6041/8/3/032001.
35. Wu, C., and Chang, J. (2007) Degradation, bioactivity, and cytocompatibility of diopside, akermanite, and bredigite ceramics, J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater., 83, 153-160, doi: 10.1002/jbm.b.30779.
36. Wu, C., Ramaswamy, Y., and Zreiqat, H. (2010) Porous diopside (CaMgSi2O6) scaffold: a promising bioactive material for bone tissue engineering, Acta Biomater., 6, 2237-2245, doi: 10.1016/j.actbio.2009.12.022.
37. Sun, J., Li, J., Liu, X., Wei, L., Wang, G., et al. (2009) Proliferation and gene expression of osteoblasts cultured in DMEM containing the ionic products of dicalcium silicate coating, Biomed. Pharmacother., 63, 650-657, doi: 10.1016/j.biopha.2009.01.007.
38. Choudhary, R., Venkatraman, S. K., Bulygina, I., Senatov, F., Kaloshkin, S., et al. (2021) Biomineralization, dissolution and cellular studies of silicate bioceramics prepared from eggshell and rice husk, Mater. Sci. Engin. C, 118, 111456, doi: 10.1016/j.msec.2020.111456.
39. Friend, W. G. (1963) A polychrome stain for differentiating precollagen from collagen, Stain Technol., 38, 204-206.
40. Egan, K. P., Brennan, T. A., and Pignolo, R. J. (2012) Bone histomorphometry using free and commonly available software, Histopathology, 61, 1168-1173, doi: 10.1111/j.1365-2559.2012.04333.x.
41. Rouquerol, J., Avnir, D., Fairbridge, C. W., Everett, D. H., Haynes, J. H., et al. (1994) Recommendations for the characterization of porous solids (Technical Report), Pure Appl. Chem., 66, 1739-1758, doi: 10.1351/pac199466081739.
42. Myat-Htun, M., Noor, A.-F. M., Kawashita, M., and Baba Ismail, Y. M. (2022) Tailoring mechanical and in vitro biological properties of calcium‒silicate based bioceramic through iron doping in developing future material, J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 128, 105-122, doi: 10.2139/ssrn.3962042.
43. Hafezi, M., Nadernezhad, A., Mohammadi, M., Barzegar, H., and Mohammadi, H. (2014) Effect of ball milling time on the synthesis of nanocrystalline merwinite via mechanical activation, Int. J. Mater. Res., 105, 469-473, doi: 10.3139/146.111048.
44. Wang, X., Li, Y., Han, R., He, C., Wang, G., et al. (2014) Demineralized bone matrix combined bone marrow mesenchymal stem cells, bone morphogenetic protein-2 and transforming growth factor-β3 gene promoted pig cartilage defect repair, PLoS One, 9, e116061, doi: 10.1371/journal.pone.0116061.
45. Petta, D., Fussell, G., Hughes, L., Buechter, D. D., Sprecher, C. M., et al. (2016) Calcium phosphate/thermoresponsive hyaluronan hydrogel composite delivering hydrophilic and hydrophobic drugs, J. Orthop. Translat., 5, 57-68, doi: 10.1016/j.jot.2015.11.001.
46. Chircov, C., Grumezescu, A. M., and Bejenaru, L. E. (2018) Hyaluronic acid-based scaffolds for tissue engineering, Rom. J. Morphol. Embryol., 59, 71-76.
47. Liu, M., Zeng, X., Ma, C., Yi, H., Ali, Z., et al. (2017) Injectable hydrogels for cartilage and bone tissue engineering, Bone Res., 5, 17014, doi: 10.1038/boneres.2017.14.
48. Sasaki, T., and Watanabe, C. (1995) Stimulation of osteoinduction in bone wound healing by high-molecular hyaluronic acid, Bone, 16, 9-15, doi: 10.1016/s8756-3282(94)00001-8.
49. Diao, X., Wang, Y., Zhao, J., and Zhu, S. (2010) Effect of pore-size of mesoporous SBA-15 (mesoporous silica) on adsorption of bovine serum albumin and lysozyme protein, Chinese J. Chem. Eng., 18, 493-499, doi: 10.1016/S1004-9541(10)60248-0.
50. Huber, E., Pobloth, A. M., Bormann, N., Kolarczik, N., Schmidt-Bleek, K., et al. (2017) Demineralized bone matrix as a carrier for bone morphogenetic protein-2: burst release combined with long-term binding and osteoinductive activity evaluated in vitro and in vivo, Tissue Eng. Part A, 23, 1321-1330, doi: 10.1089/ten.TEA.2017.0005.
51. Jin, Y. Z., Zheng, G. B., Lee, J. H., and Han, S. H. (2021) Comparison of demineralized bone matrix and hydroxyapatite as carriers of Escherichia coli recombinant human BMP-2, Biomater. Res., 25, 25, doi: 10.1186/s40824-021-00225-7.
52. Kang, W., Lee, D. S., and Jang, J. H. (2015) Evaluation of sustained BMP-2 release profiles using a novel fluorescence-based retention assay, PLoS One, 10, e0123402, doi: 10.1371/journal.pone.0123402.