БИОХИМИЯ, 2023, том 88, вып. 8, с. 1366–1377
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: эктопический остеогенез при внутримышечной имплантации 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
Поступила в редакцию 14.06.2023
После доработки 05.07.2023
Принята к публикации 06.07.2023
DOI: 10.31857/S0320972523080067
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: диопсид, кальций-магниевая силикатная керамика, имплантат, BMP‑2, деминерализованный костный матрикс, эктопический остеогенез.
Статья на английском языке опубликована в режиме Open Access (открытого доступа) на сайте издательства Springer. DOI: 10.1134/S0006297923080060.
Аннотация
Высокая эффективность гибридных имплантатов на основе кальций-магниевой силикатной керамики диопсида в качестве носителя рекомбинантного костного морфогенетического белка‑2 (BMP‑2) и ксеногенного деминерализованного костного матрикса (ДКМ) в качестве каркасного материала для регенерации костной ткани была продемонстрирована ранее на модели краниальных дефектов критического размера у мышей. С целью изучения возможности применения этих имплантатов для выращивания аутологичной костной ткани с использованием принципа in vivo биореактора в теле самого пациента проведено исследование эффективности вызываемого ими эктопического остеогенеза при внутримышечной имплантации мышам. При дозе BMP‑2 в 7 мкг на имплантат через 1 неделю вокруг имплантатов наблюдалось плотное скопление клеток, вероятно, сателлитных клеток-предшественников скелетной мускулатуры, с участками интенсивного хондрогенеза, начальной стадии непрямого остеогенеза. Через 12 недель формировалась плотная костная капсула трабекулярного строения, покрытая надкостницей, со зрелым костным мозгом, расположенным в промежутках между трабекулами. Объём капсулы приблизительно в 8–10 раз превышал объём исходного имплантата. Признаки воспалительной и клеточной реакции на введение инородного тела в группе с BMP‑2 практически отсутствовали. Данные микрокомпьютерной томографии показали значительно бóльшие относительный объём костной ткани, количество трабекул и плотность костной ткани в группе с BMP‑2 по сравнению с группой без BMP‑2. С учётом того, что ДКМ может быть получен практически в неограниченных количествах, требуемого размера и формы, а используемый BMP‑2, получаемый синтезом в клетках E. coli, относительно недорог, дальнейшая разработка модели in vivo биореактора на основе гибридных имплантатов из BMP‑2, диопсида и ксеногенного ДКМ представляется перспективной.
Текст статьи
Сноски
* Адресат для корреспонденции.
Финансирование
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22‑15‑00216).
Благодарности
Авторы выражают благодарность Раджану Чоулдхари и Инне Булыгиной за предоставление порошка диопсида, Марии Генераловой и Анне Рязановой за помощь в проведении имплантации. Синтез диопсида проводился на базе НИТУ МИСИС, ряд стадий выделения BMP‑2 – в НИИ ФХБ имени А.Н. Белозерского МГУ имени М.В. Ломоносова и во ВНИИСБ.
Вклад авторов
А.С. Карягина – концепция и руководство работой, написание статьи; П.А. Орлова, А.В. Жулина, М.С. Кривозубов, Т.М. Грунина, Н.В. Струкова – проведение экспериментов; П.А. Орлова, М.С. Кривозубов, А.В. Громов – написание фрагментов статьи, подготовка иллюстраций; А.С. Карягина, В.Н. Манских, Ф.С. Сенатов, А.В. Громов – обсуждение результатов, редактирование текста статьи.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Соблюдение этических норм
Все применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены.
Список литературы
1. Tan, W., Gao, C., Feng, P., Liu, Q., Liu, C., Wang, Z., Deng, Y., and Shuai, C. (2021) Dual-functional scaffolds of poly(L-lactic acid)/nanohydroxyapatite encapsulated with metformin: Simultaneous enhancement of bone repair and bone tumor inhibition, Mater. Sci. Eng. C Mater. Biol. Appl., 120, 111592, doi: 10.1016/j.msec.2020.111592.
2. Xu, B., Zheng, P., Gao, F., Wang, W., Zhang, H., Zhang, X., Feng, X., and Liu, W. A. (2017) Mineralized high strength and tough hydrogel for skull bone regeneration, Adv. Funct. Mater., 27, 1604327, doi:10.1002/adfm.201604327.
3. Farokhi, M., Mottaghitalab, F., Shokrgozar, M. A., Ou, K. L., Mao, C., and Hosseinkhani, H. (2016) Importance of dual delivery systems for bone tissue engineering, J. Control. Release, 225, 152-169, doi: 10.1016/j.jconrel.2016.01.0334.
4. Norbertczak, H. T., Fermor, H. L., Edwards, J. H., Rooney, P., Ingham, E., and Herbert, A. (2022) Decellularised human bone allograft from different anatomical sites as a basis for functionally stratified repair material for bone defects, J. Mech. Behav. Biomed. Mater., 125, 104965, doi: 10.1016/j.jmbbm.2021.104965.
5. Huang, R. L., Kobayashi, E., Liu, K., and Li, Q. (2016) Bone graft prefabrication following the in vivo bioreactor principle, EBioMedicine, 12, 43-54, doi: 10.1016/j.ebiom.2016.09.016.
6. Orringer, J. S., Shaw, W. W., Borud, L. J., Freymiller, E. G., Wang, S. A., and Markowitz, B. L. (1999) Total mandibular and lower lip reconstruction with a prefabricated osteocutaneous free flap, Plast. Reconstr. Surg., 104, 793-797, doi: 10.1097/00006534-199909030-00028.
7. Warnke, P. H., Springer, I. N., Wiltfang, J., Acil, Y., Eufinger, H., Wehmöller, M., Russo, P. A., Bolte, H., Sherry, E., Behrens, E., and Terheyden, H. (2004) Growth and transplantation of a custom vascularised bone graft in a man, Lancet, 364, 766-770, doi: 10.1016/S0140-6736(04)16935-3.
8. Warnke, P., Wiltfang, J., Springer, I., Acil, Y., Bolte, H., Kosmahl, M., Russo, P., Sherry, E., Lutzen, U., and Wolfart, S. (2006) Man as living bioreactor: fate of an exogenously prepared customized tissue-engineered mandible, Biomaterials, 27, 3163-3167, doi: 10.1016/j.biomaterials.2006.01.050.
9. Heliotis, M., Lavery, K. M., Ripamonti, U., Tsiridis, E., and di Silvio, L. (2006) Transformation of a prefabricated hydroxyapatite/osteogenic protein-1 implant into a vascularised pedicled bone flap in the human chest, Int. J. Oral Maxillofac, Surg., 35, 265-269, doi: 10.1016/j.ijom.2005.07.013.
10. Cheng, M., Brey, E. M., Ulusal, B. G., and Wei, F. (2006) Mandible augmentation for osseointegrated implants using tissue engineering strategies, Plast. Reconstr. Surg., 118, 1e-4e, doi: 10.1097/01.prs.0000221120.11128.1a.
11. Mesimäki, K., Lindroos, B., Törnwall, J., Mauno, J., Lindqvist, C., Kontio, R., Miettinen, S., and Suuronen, R. (2009) Novel maxillary reconstruction with ectopic bone formation by GMP adipose stem cells, Int. J. Oral Maxillofac. Surg., 38, 201-209, doi: 10.1016/j.ijom.2009.01.001.
12. Kokemueller, H., Spalthoff, S., Nolff, M., Tavassol, F., Essig, H., Stuehmer, C., Bormann, K. H., Rücker, M., and Gellrich, N. C. (2010) Prefabrication of vascularized bioartificial bone grafts in vivo for segmental mandibular reconstruction: experimental pilot study in sheep and first clinical application, Int. J. Oral Maxillofac Surg., 39, 379-387, doi: 10.1016/j.ijom.2010.01.010.
13. Horch, R. E., Beier, J. P., Kneser, U., and Arkudas, A. (2014) Successful human long-term application of in situ bone tissue engineering, J. Cell. Mol. Med., 18, 1478-1485, doi: 10.1111/jcmm.12296.
14. Scott, M. A., Levi, B., Askarinam, A., Nguyen, A., Rackohn, T., Ting, K., Soo, C., and James, A. W. (2012) Brief review of models of ectopic bone formation, Stem Cells Dev., 21, 655-667, doi: 10.1089/scd.2011.0517.
15. Habibovic, P., and de Groot, K. (2007) Osteoinductive biomaterials – properties and relevance in bone repair, J. Tissue Engin. Regenerat. Med., 1, 25-32, doi: 10.1002/term.5.
16. Yang, Z., Yuan, H., Tong, W., Zou, P., Chen, W., and Zhang, X. (1996) Osteogenesis in extraskeletally implanted porous calcium phosphate ceramics: variability among different kinds of animals, Biomaterials, 17, 2131-2137, doi: 10.1016/0142-9612(96)00044-0.
17. Takaoka, K., Nakahara, H., Yoshikawa, H., Masuhara, K., Tsuda, T., and Ono, K. (1988) Ectopic bone induction on and in porous hydroxyapatite combined with collagen and bone morphogenetic protein, Clin. Orthopaed. Rel. Res., 234, 250-254.
18. Zhang, H., Yang, L., Yang, X. G., Wang, F., Feng, J. T., Hua, K. C., Li, Q., and Hu, Y. C. (2019) Demineralized bone matrix carriers and their clinical applications: an overview, Orthopaedic Surg., 11, 725-737, doi: 10.1111/os.12509.
19. Bartov, M. S., Gromov, A. V., Poponova, M. S., Savina, D. M., Nikitin, K. E., Grunina, T. M., Manskikh, V. N., Gra, O. A., Lunin, V. G., Karyagina, A. S., and Gintsburg, A. L. (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.
20. Громов А. В., Никитин К. Е., Карпова Т. А., Зайцев В. В., Сидорова Е. И., Андреева Е. В., Бартов М. С., Мишина Д. М., Субботина М. Е., Шевлягина Н. В., Сергиенков М. А., Соболева Л. А., Котнова А. П., Шарапова Н. Е., Семихин А. С., Диденко Л. В., Карягина А. С., Лунин В. Г. (2012) Разработка методики получения остеопластического материала на основе деминерализованного костного матрикса с максимальным содержанием нативных факторов роста костной ткани, Биотехнология, 5, 66-75.
21. Gromov, A. V., Bartov, M. S., Orlova, P. A., Manskikh, V. N., Krivozubov, M. S., Grunina, T. M., Manukhina, M. S., Strukova, N. V., Nikitin, K. E., Lunin, V. G., Karyagina, A. S., and Gintsburg, A. L. (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.
22. 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.
23. Karyagina, A. S., Orlova, P. A., Poponova, M. S., Bulygina, I. N., Choudhary, R., Zhulina, A. V., Grunina, T. M., Nikitin, K. E., Strukova, N. V., Generalova, M. S., Ryazanova, A. V., Kovalyova, P. A., Zimina, A. I., Lukinova, E. M., Plakhotniuk, E. D., Kirsanova, M. A., Kolesnikov, E. A., Zakharova, E. V., Manskikh, V. N., Senatov, F. S., and Gromov, A. V. (2022) Hybrid implants based on calcium-magnesium silicate ceramics diopside as a carrier of recombinant BMP-2 and demineralized bone matrix as a scaffold: dynamics of reparative osteogenesis in a mouse craniotomy model, Biochemistry (Moscow), 87, 1277-1291, doi: 10.1134/S0006297922110074.
24. Choudhary, R., Venkatraman, S. K., Bulygina, I., Senatov, F., Kaloshkin, S., Anisimova, N., Kiselevskiy, M., Knyazeva, M., Kukui, D., Walther, F., and Swamiappan, S. (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.
25. Plantz, M. A., Minardi, S., Lyons, J. G., Greene, A. C., Ellenbogen, D. J., Hallman, M., Yamaguchi, J. T., Jeong, S., Yun, C., Jakus, A. E., Blank, K. R., Havey, R. M., Muriuki, M., Patwardhan, A. G., Shah, R. N., Hsu, W. K., Stock, S. R., and Hsu, E. L. (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.
26. Karyagina, A. S., Boksha, I. S., Grunina, T. M., Demidenko, A. V., Poponova, M. S., Sergienko, O. V., Lyashchuk, A. M., Galushkina, Z. M., Soboleva, L. A., Osidak, E. O., Bartov, M. S., Gromov, A. V., and Lunin, V. G. (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.
27. Bryan, J. H. D. (1954) Differential staining with a mixture of safranin and fast green FCF, Stain Technol., 30, 153-157.
28. Heidenhain, M. (1905) Zeitschrift für wissenschaftliche Mikroskopie und für mikroskopische Technik, S. Hirzel, Leipzig, 22, pp. 339.
29. Wu, C., and Chang, J. (2013) A review of bioactive silicate ceramics, Biomed. Mater., 8, 032001, doi: 10.1088/1748-6041/8/3/032001.
30. Oda, S., Kinoshita, A., Higuchi, T., Shizuya, T., and Ishikawa, I. (1997) Ectopic bone formation by biphasic calcium phosphate (BCP) combined with recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2), J. Med. Dent. Sci., 44, 53-62.
31. Zimina, A., Senatov, F., Choudhary, R., Kolesnikov, E., Anisimova, N., Kiselevskiy, M., Orlova, P., Strukova, N., Generalova, M., Manskikh, V., Gromov, A., and Karyagina, A. (2020) Biocompatibility and physico-chemical properties of highly porous PLA/HA scaffolds for bone reconstruction, Polymers, 12, 2938, doi: 10.3390/polym12122938.
32. Senatov, F., Gulbanu, A., Orlova, P., Bartov, M., Grunina, T., Kolesnikov, E., Maksimkin, A., Kaloshkin, S., Poponova, M., Nikitin, K., Krivozubov, M., Strukova, N., Manskikh, V., Anisimova, N., Kiselevskiy, M., Scholz, R., Knyazeva, M., Walther, F., Lunin, V., Gromov, A., and Karyagina, A. (2020) Biomimetic UHMWPE/HA scaffolds with rhBMP-2 and erythropoietin for reconstructive surgery, Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl, 111, 110750, doi: 10.1016/j.msec.2020.110750.
33. Senatov, F., Maksimkin, A., Chubrik, A., Kolesnikov, E., Orlova, P., Krivozubov, M., Nikitin, K., Gromov, A., and Karyagina, A. (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. Mater., 119, 104477, doi: 10.1016/j.jmbbm.2021.104477.
34. Senatov, F., Zimina, A., Chubrik, A., Kolesnikov, E., Permyakova, E., Voronin, A., Poponova, M., Orlova, P., Grunina, T., Nikitin, K., Krivozubov, M., Strukova, N., Generalova, M., Ryazanova, A., Manskikh, V., Lunin, V., Gromov, A., and Karyagina, A. (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, Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl, 135, 112680, doi: 10.1016/j.msec.2022.112680.
35. Karpov, T. E., Peltek, O. O., Muslimov, A. R., Tarakanchikova, Y. V., Grunina, T. M., Poponova, M. S., Karyagina, A. S., Chernozem, R. V., Pariy, I. O., Mukhortova, Y. R., Zhukov, M. V., Surmeneva, M. A., Zyuzin, M. V., Timin, A. S., and Surmenev, R. A. (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.
36. Chubrik, A., Senatov, F., Kolesnikov, E., Orlova, P., Poponova, M., Grunina, T., Bartov, M., Nikitin, K., Krivozubov, M., Generalova, M., Manskikh, V., Lunin, V., Gromov, A., and Karyagina, A. (2020) Highly porous PEEK and PEEK/HA scaffolds with Escherichia coli-derived recombinant BMP-2 and erythropoietin for enhanced osteogenesis and angiogenesis, Polym. Test., 87, 106518, doi: 10.1016/j.polymertesting.2020.