Regenerative properties of human extraembryonal organs in tissue engineering

Abstract


The characteristics of the umbilical cord extracellular matrix are discussed relatively of their potential use for tissue engineering. The purpose of this review is to assess the current knowledge about using of homologous biomaterials with regenerative properties to create bioengineered structures. One of the most important components of tissue engineering - matrix (scaffold), resident cells can migrate, attach to it and function. Due to their structure, matrices should be easily integrated into the patient’s tissue and provide conditions for cell growth and differentiation. The cells that populate the matrix in the bioreactor before the transplantation of this construction, or resident cells recruited into the transplanted extracellular matrix), and cell- matrix interactions are absolutely necessary components of tissue engineering. Available commercial bioengineering products made from mammalian tissues have certain advantages and significant disadvantages due to the risks of immunological reactions and transmission of infectious agents. The transplantation of products from xenogenic materials is prohibited by law in the Russian Federation. The donor material is limited, receipt of human cadaver material requires a long period of legal registration, which has a detrimental effect on the biomaterial. Therefore, finding a suitable homologous biomaterial is ongoing. Due to the peculiarities of the embryonic phenotype, extraembryonic tissues have special biological properties, one of which is the scarless healing of wounds. Low immunogenicity, optimal mechanical properties of extracellular matrix, presence of cell adhesion molecules and growth factors promoting regeneration provide anti-inflammatory, anti-fibrotic, anti- scarring properties for tissue engineering structures from umbilical cord and amniotic membrane. Umbilical cord and amnion due to the availability and non-invasiveness of obtaining from healthy young donors are an excellent source of homologous biomaterial for extracting matrices, cells and hydrogels for tissue engineering and regenerative medicine.

Full Text

Введение. Тканевая инженерия как междисципли- нарная область применяет принципы биоинженерии и биотехнологии для создания биологических транс- плантатов. Ключевые составляющие, ответствен- ные за успех тканевой инженерии, - это матрикс, обеспечивающий структурную поддержку клеток; клетки, продуцирующие матриксные компоненты, и клеточно-матриксные взаимодействия, направля- ющие функционирование клеток для дальнейшего ремоделирования поврежденной ткани. Внеклеточный матрикс (ВКМ) является физиче- ской пространственной конструкцией, которая во время своего существования помогает прикрепляться клеткам и поддерживает их рост во время развития тканей. В нем сохранены структурные и функцио- нальные молекулы, достаточные и необходимые для функционирования и фенотипической пластичности резидентных клеток. Тканеспецифичный, биосовме- стимый, биоразлагаемый неиммуногенный матрикс может быть изготовлен на заказ и храним в стерильных условиях. Стать тканеинженерным транспланта- том он может после предварительного заселения его клетками в биореакторе либо остаться бесклеточным трансплантатом для временного функционирования, во время которого он заселяется резидентными клетками пациента. Результатом жизнедеятельности клеток являются процессы деградации выполнивше- го свою функцию трансплантированного матрикса и синтез ими компонентов собственных тканей. Биоматериалом для получения матриксов могут быть ксеногенные и донорские ткани, а также их от- дельные компоненты - биополимеры. Матрикс может быть создан из природных органических материалов (хитозан, фиброин шелка, гиалуронан (НА), фибрин, коллаген), неорганических материалов (гидроксиапа- тит), синтетических полимеров (полилактиды, сили- кон), биокерамики. Синтетические полимеры имеют ряд преимуществ - отсутствие иммуногенности, легкая обрабатываемость и управляемые механиче- ские свойства. Матриксам из природных материалов 192 4 (64) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Обзоры присущи биоактивность, биоразлагаемость и наличие поверхностных лигандов для адгезии клеток. Поэтому децеллюляризированные матриксы донорских тканей можно рассматривать как наиболее привлекательную конструкцию для тканевой инженерии. Коммерческие продукты на основе ВКМ, исполь- зуемые в тканевой инженерии, получены из тканей млекопитающих (Epic™, Prima™ Plus, Hancock® II, Mosaic®, Freestyle®, Perimount® - протезы клапанов сердца; CopiOs® - протез для регенерации костей, Zimmer Collagen Repair Patch™, MatriStem®, Oasis®, Restore™, FortaFlex®, Strattice™, TissueMend®, Cor- Matrix™, Meso BioMatrix™, Permacol, Synergraft® - протезы для регенерации мягких тканей из биома- териала свиньи; Lyoplant® - протез твердой мозговой оболочки из тканей крупного рогатого скота, OrthA- dapt® - протез для восстановления хронических ран из тканей лошади) или трупных тканей (дермальные конструкты Alloderm, Karoderm, SureDerm для вос- становления мягких тканей, IOPatch™ - имплант для применения в офтальмологии). В экспериментах исследуют биоматериал хитозан, фиброин шелка - продукты деятельности насекомых; изучают бескле- точный матрикс кожи рыб как покрытие для ран [41]. Протезы из ксеногенных тканей создают проблемы из-за иммунологических реакций и риска передачи прионов [10]. В Российской Федерации (РФ) меди- цинские продукты ксеногенного происхождения за- прещены к трансплантации. Цель исследования. Изучение мирового опыта использования провизорных тканей человека в тка- невой инженерии и регенеративной медицине. Задача исследования. Обобщение известных к настоящему времени фактов, подтверждающих реге- неративные свойства внеэмбриональных органов для обоснования возможности использования их внекле- точных структур в тканевой инженерии. Материалы и методы. Анализируются опубли- кованные результаты по использованию пуповины человека как биоматериала для тканевой инженерии и гидрогелей для 3D-биопечати. Результаты и их обсуждение. Оптимальный биоматериал для матриксов и гидрогелей. Биополи- мерным молекулам во внеклеточном пространстве исторически отводили роль пассивной механиче- ской поддержки для клеток. Природная жесткость и 3D-структура ВКМ могут быть важными факторами клеточной адгезии. В идеале для изготовления бу- дущего трансплантата необходим биоматериал той ткани, для восстановления которой он предусмотрен. Сохранность тканеспецифичной пространственной архитектуры матрикса, состава, наличие пор - не- обходимые условия для заселения его клетками, их распространения и дифференцировки в функцио- нирующие элементы. Однако прижизненный донор- ский биоматериал крайне ограничен; юридические и этические сложности оформления документов при посмертном донорстве занимают много времени [2], что неблагоприятно отражается на сохранности био- материала. Поэтому поиск оптимального биоматери- ала для изготовления тканеинженерных конструкций как никогда значим для науки и медицины РФ. В течение жизни человека состав и структура тканей существенно изменяются. Пороки развития, перенесенные болезни, возрастные изменения, последствия приема лекарств, влияния стрессов, вредных условий труда и иные обстоятельства вли- яют на состав и строение тканей. Накапливаются сшивки коллагена из-за его неферментного гликози- лирования в тканях человека, содержание веществ, удерживающих воду в межклеточном пространстве, снижается. В результате действия металлопротеиназ, расщепляющих коллагены, протеогликаны и гликоза- миногликаны (GAG), и увеличения поперечных сшивок коллагена, ткани становятся менее эластичными. Уровни фибронектина увеличиваются с возрастом, нарушая связывание клеток посредством интегри- новых рецепторов с ВКМ. Совершенно очевидно, что качественные и количественные изменения до- норских тканей, возникшие в процессе жизни, неиз- бежно приводят к ухудшению характеристик матрикса. Этот аргумент подвигнул многих исследователей пренебречь негативными особенностями матриксов ксеногенных тканей именно потому, что предельный возраст крупных млекопитающих - потенциальных доноров биологического материала - существенно меньше, чем человека. Биоматериалы для тканевой инженерии, получен- ные от взрослых доноров, имеют не только изменен- ные возрастом и болезнями исходную структуру и со- став, но и утрачивают регенераторные потенции, при- сущие эмбриональному биоматериалу. Известно, что ткани эмбриона и провизорных органов имеют особые компоненты, обеспечивающие на этапах гестации процессы регенераторного восстановления, сходные с онтогенетическими процессами развития плода. В тканях плода, пуповине и плаценте присутствует незрелый коллаген с меньшими сшивками. Прови- зорные органы лишены возрастных особенностей - последствий патологического ремоделирования, фиброза, окислительного стресса и других негатив- ных изменений [12]. Поэтому можно предположить, что ВКМ из плодных или внеэмбриональных тканей обеспечит более конструктивное ремоделирование тканей в сравнении с ВКМ постнатальных тканей. Пуповина и плацента представляют собой ценней- ший гомологичный источник внеэмбриональной ткани, доступный в достаточном количестве без этических ограничений после родов у здоровых обследованных женщин. Он сохраняет в своей структуре молекулы, способствующие регенерации. Провизорные органы после рождения ребенка уничтожаются как биологи- ческий отход, поэтому биоматериал незатратен. Биоматериал пуповины обладает доказанными регенераторными свойствами, проявляющимися в ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 4 (64) - 2018 193 Обзоры безрубцовом восстановлении повреждений кожи и эпителиальных тканей плода на средних сроках гестации, и в ускоренном заживлении ран плода в поздних сроках беременности [25]. Фетальный фенотип ВКМ содержит факторы роста и молекулы клеточной адгезии, которые способствуют миграции клеток в бесклеточную конструкцию, помещенную в зону повреждения [12], способен к продолжительному функционированию, биоразлагаем, нецитотоксичен, благодаря составу близок к компонентам кожных покровов. Это делает пуповину превосходным био- материалом для получения матрикса, сходного с матриксом кожи (в условиях дефицита донорского материала кожи), способным предоставить факторы регенерации, и гидрогеля для 3D-биопечати. Регенераторные особенности фетальных и вне- эмбриональных тканей. В постнатальном периоде восстановление повреждений ткани завершается об- разованием рубцовой ткани. У плода раны заживают без рубца путем регенерации нормальной кожной архитектуры, включая восстановление дермальных придатков, нервных и сосудистых структур. У всех видов млекопитающих (людей, мышей, крыс, овец, обезьян) особенность регенерации обнаружена в се- редине гестационного периода. В дальнейшем период регенеративного заживления сменяется периодом, в котором раны заживают с полной регенерацией ВКМ, но без регенерации кожных придатков. В конце беременности появляется постнатальный фенотип за- живления ран с отложением коллагена в ВКМ, утратой дермальных придатков и уплощенным эпидермисом, но с высокой степенью эластичности восстановленных тканей [25] . Долгое время факторы внутриутробной среды в процессе заживления ран плода считали определя- ющими. Стерильная, богатая питательными веще- ствами амниотическая жидкость, которая непрерывно омывает кожу плода, играет действительно важную роль в фенотипе раны плода. Исследования Акита [4] показали, что основной фактор роста фибробластов (bFGF) из околоплодных вод ускоряет заживление пролежней, ожогов, язв стопы и диабетических язв. Однако регенеративное восстановление ранений плода не зависит от внутриматочной окружающей среды. У сумчатых животных при отсутствии около- плодных вод раны плода в период развития внутри материнской сумки заживают безрубцово [5]. Раны кожи плода в середине беременности после ксено- графтинга иммунокомпрометированным взрослым мышам заживали без рубцов. Наоборот, иссеченные раны кожи взрослых овец, пересаженные плодам ягнят, возвращенных во внутриутробную среду, зажи- вали рубцеванием [15]. Эти данные свидетельствуют о внутреннем свойстве ткани плода заживать без руб- цов, не зависящем от внутриутробной среды. Выявление фундаментальных механизмов за- живления ран плода позволяет предложить пути ускорения заживления глубоких повреждений кожи и минимизировать образование рубцов у взрослых пациентов. Помимо заживления ран, стимуляция регенераторного заживления может быть полезна в лечении заболеваний, сопровождающихся усилен- ным фиброзированием - спаек брюшины, келоидов, склеродермии, легочного и почечного фиброза и цирроза печени. Важнейшее преимущество пуповины и плаценты как источников ВКМ заключается в их внеэмбрио- нальном происхождении с сохранением особенностей эмбрионального фенотипа: факторов роста, воспали- тельной реакции и цитокинового профиля, специфики ВКМ, механических характеристик, спектра стволовых клеток. Факторы роста в матриксе эмбриональных и про- визорных тканей. В заживлении ран играют роль молекулы семейства трансформирующего фактора роста TGF. У взрослых доминирует экспрессия TGF-β1 и TGF-β2 в ложе ран, тогда как у плода - экспрессия TGF-β3. Подавление экспрессии TGF-β1 у взрослых существенно уменьшает рубцевание, добавление рекомбинантного TGF-β1 в раны плода в середине беременности приводит к образованию рубцовой ткани. Эти данные показывают, что низкие уровни TGF-β1 ассоциированы со снижением рубцевания. Повышенные уровни TGF-β3 и более высокое отно- шение TGF-β3/TGF-β1 имеют решающее значение для уменьшения образования рубцов. Добавление рекомбинантного TGF-β3 уменьшает рубцевание. По- мимо управления процессом коллагенообразования, TGF-β3 усиливает миграцию постнатальных фибро- бластов, что свойственно фибробластам плода [25]. Клеточный воспалительный ответ у плода. Раны плода характеризуются невыраженной клеточной инфильтрацией, слабыми сосудистыми реакциями и специфической экспрессией цитокинов. Нейтрофилов в ранах плода существенно меньше, чем у взрослых, и они имеют меньшие размеры и количество гранул. Из-за низкого синтеза провоспалительных цитокинов рекрутинг лейкоцитов в рану незначительный, однако клетки реагируют на соответствующие сигналы in vitro. Эта особенность клеточного ответа на повреждение в ранах плода является результатом снижения рекру- тинга, а не самого дефицита клеток. Моноциты в очаг воспаления постнатальных тканей приходят под влиянием тромбоцитарного фактора роста (PDGF), а под влиянием TGF-β1 моноциты ста- новятся фагоцитирующими макрофагами, продуци- руя многочисленные цитокины и ростовые факторы. Активированные макрофаги, играющие большую роль в заживлении ран у взрослых, отсутствуют в ранах плодов мышей на середине гестации [18]. Это объяс- няют тем, что тромбоциты плода производят меньше профибротического тромбоцитарного фактора роста PDGF, потому и рекрутинг моноцитов в рану плода неактивный. Низкие уровни экспрессии TGF-β1 в фе- тальной ткани не способствуют превращению моно- цитов в макрофаги; описана роль TGF-β3 плода как стоп-сигнала для терминальной дифференцировки моноцитов [6]. 194 4 (64) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Обзоры Тучные клетки в ранах плода в середине беремен- ности малочисленны, менее зрелые и не способны к дегрануляции; по сравнению со зрелыми мастоцита- ми они высвобождают более низкие уровни гистами- на, TGF-β1 и фактора некроза опухоли TNF-α [24]. Это приводит к невыраженности сосудистых и клеточных воспалительных реакций в ложе ран плода. Цитокины. В ранние сроки беременности в коже плода, сыворотке крови и околоплодных водах высо- кие уровни интерлейкина (IL)-10 и низкие уровни IL-6 и IL-8. Исследования ран плода середины беремен- ности, созданных у трансгенных мышей с нокаутом IL-10, показали повышенные уровни IL-6 и IL-8; раны заживали с рубцеванием в том гестационном воз- расте, при котором у нормальных животных раны излечивались без рубцов. Гиперэкспрессия IL-10 с помощью вирусных векторов в эксперименте приво- дила к снижению клеточной инфильтрации, отложе- нию коллагена, характерному для плода, регенерации кожных придатков, и полному заживлению ран [25]. Таким образом, в феномене безрубцового заживления ран плода важную роль играет клеточный состав ткани и специфика синтеза клетками цитокинов. Компоненты фетального внеклеточного матрикса. В ранах плода коллаген откладывается в виде тонкой сетки, не отличимой от окружающей неповрежденной ткани, в постнатальных ранах - плотно расположен- ными параллельными пучками. Коллагены I, III типа и обилие НА - ключевые компоненты матрикса, обе- спечивающие безрубцовое заживление фетальных ран, облегчающие миграцию клеток и экспрессию ими рецепторов. И фетальные, и постнатальные раны заживают с преобладанием коллагена I типа, но соотношение коллагена III типа и I типа выше в ранах плода. Одиночная субъединица коллагена III может способствовать хемотаксису множественных прогениторных типов клеток in vitro и способна рекру- тировать клетки с маркерами мультипотентности при инъекции in vivo. Фетальная эластичная коллагеновая структура характеризуется небольшим количеством поперечных сшивок. НА, стимулируя миграцию, дифференцировку и пролиферацию клеток, играет существенную роль в заживлении ран на всех этапах онтогенеза, оставаясь при этом еще и обильным структурным компонентом. Тканям плода присущ НА высокого молекулярного веса, его повышенный уровень отмечают в течение 3 недель после травмы. В ранах взрослых уровень НА преходяще быстро повышается, и преобладает низко- молекулярный НА. НА усиливает выработку клетками и TGF-β3, и коллагена III типа; влияет на скорость ми- грации фибробластов плода, которые экспрессируют в 2-4 раза больше гиалуронановых рецепторов. НА подавляет агрегацию тромбоцитов и высвобождение тромбоцитарных факторов роста, а через них и кле- точную воспалительную инфильтрацию раны. Упомянутые особенности тканей плода позволяют предположить, что биоматрикс, созданный из ВКM провизорных органов, сможет обеспечить структурное и индуктивное микроокружение для регенерации тканей в постнатальном периоде онтогенеза. Ремоделирование ВКМ. Замещение поврежден- ных тканей новыми структурами во время регене- рации, которое принято называть «конструктивным ремоделированием» [20], осуществляют активиро- ванные клетки-резиденты, например фибробласты и миобласты. ВКM - динамичная среда, клеточное и ферментативное разрушение компонентов ВКM, и появление их фрагментов во время ремоделирования обеспечивают регуляцию синтеза, состава и структу- ры нового ВКМ через высвобождение при деградации матрикса факторов роста. Нейтрофилы фагоцитируют матриксные структуры в очаге воспаления и лизируют кислородзависимыми пероксидазами. Макрофаги разрушают ВКМ про- теолитическими ферментами лизосом. Матриксные металлопротеиназы (ММР) - адамализины (ADAM, a disintegrin and metalloproteinase; ADAMT, a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs) - расщепляют множество компонентов ВКМ. К настоя- щему времени у человека идентифицированы 23 MMP, 22 ADAM, и 19 ADAMT [20]. Итогом деградации ВКМ являются небольшие пептиды, называемые матрикриптинами или крипто- пептидами с мощной биоактивностью. Они регулиру- ют ангиогенез, антиангиогенез, миграцию, адгезию, дифференциацию и антимикробную активность [9]. Не являясь структурными, они играют существенную роль в сборке ВКМ путем формирования комплек- сов факторов роста. Например, деградация белка фибронектина приводит к образованию фактора роста эндотелия сосудов VEGF, фибробластов FGF-β, трансформирующего фактора роста TGF-β [20], спо- собствуя ангиогенезу и другим клеточным реакциям в сайте повреждения. Пептид Arg-Gly-Asp (RGD) - один из самых хорошо изученных матрикриптических пеп- тидов, к нему прикрепляются матриксные и клеточные белки-интегрины. Специалисты тканевой инженерии пользуются пептидом RGD для создания полимеров с улучшенными свойствами клеточной адгезии [19]. Синтез новых молекул матрикса происходит во вре- мени параллельно с процессами деградации ВКМ. Фибробласты плода обеспечивают более раннюю депозицию коллагена в ложе раны, в отличие от ответа фибробластов взрослого на TGF-β1. Мутации с утратой некоторых белков ВКМ, таких как фибронектин, ламинин или коллаген, являют- ся летальными для эмбриона, роль белков ВКМ во время развития критическая. Дефекты пуповины с нарушением структуры и состава Вартонова студня также приводят к нежизнеспособности плода и ново- рожденного [14]. Механическое напряжение фетальных тканей в зоне повреждения. Обширная фетальная рана, как и рана взрослого, характеризуется ростом механи- ческого натяжения. Размер раны существенно опре- деляет исход ее заживления, и в том гестационном периоде, когда более мелкие раны заживают без ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 4 (64) - 2018 195 Обзоры рубцов, протяженные раны рубцуются. Очевидно, что биомеханические силы могут быть важным фактором регенеративного фенотипа плода. Повышенная жест- кость постнатального внеклеточного матрикса in vitro приводит к ускорению превращения дермальных фи- бробластов в фенотип миофибробластов и усилению экспрессии ими генов синтеза коллагенов COL1A1 и факторов роста TGF [3]. Сигналы натяжения матрикса реализуются раз- личными путями. Увеличение силы сдвига индуцирует локальное производство профибротических факто- ров роста, таких как TGF-β1 и TGF-β2. Механическое напряжение в ране инициирует дифференцировку фибробластов в миофибробласты, продукт которых проявляет сократительные свойства. Миофибробла- сты в фетальных ранах середины гестации отсутству- ют на 14 день после повреждения. В обширных ранах позднего гестационного возраста, при котором фор- мируется рубцовая ткань, в изобилии присутствуют миофибробласты. Изучен механизм механотрансдук- ции через фокальную киназу адгезии (FAK), иниции- рованной интегринами, она активирует дермальные фибробласты к запуску рубцевания. Ингибирование внутриклеточного компонента рецепторов FAK при- водит к неспособности клеток мигрировать в очаг повреждения и, превращаясь в миофибробласты, функционировать с образованием рубцовых волокон [23]. Таким образом, специфические для провизорных органов механические характеристики ВКМ могут обеспечить успешность функционирования тканеин- женерных конструкций на основе матрикса пуповины. Стволовые клетки эмбриональных и внеэмбрио- нальных тканей. В регенеративном заживлении фетальных ран играют важную роль эпителиальные стволовые клетки (ESCs), мезенхимальные стволовые клетки (MSCs) и маленькие «точечные» стволовые клетки («dot cells») диаметром до 7 мкм, экспресси- рующие маркеры, характерные для стволовых клеток - E-кадгерин, интегрин-b1 и CD34. Доля таких клеток у плодов крыс более чем в 20 раз превышает долю их в тканях взрослых животных. Мигрируя в рану, они дифференцируются в дермальные клетки, высво- бождающие меньше интерстициального коллагена, чем миофибробласты, и уменьшают рубцевание [13]. Мультипотентные MSC пуповинно-плацентар- ного происхождения демонстрируют высокий про- лиферативный потенциал in vitro. В присутствии 5% AB-сыворотки человека при пересеве каждые 4 сут в концентрации 3β103 кл/см2 количество MSC пуповины увеличивалось, в среднем, в 16 раз за один пассаж, MSC плаценты - в 5 раз. В MSC пуповины в основном присутствуют клетки с минимальным количеством гемопоэтических поверхностных маркеров (СD33, СD34, СD45, СD117), в то время как 97-99% клеток популяции положительны по маркерам CD90, CD105 (эндоглин, белок рецептора к факторам роста семей- ства TGF-β), CD73, CD44. MSC пуповины снабжены антигенами главного комплекса гистосовместимости первого класса HLA-ABC, а антигены HLA-DR отсутствуют [1]. По совокупности свойств клетки из тканей пуповинно-плацентарного комплекса являются про- межуточными между эмбриональными и постнаталь- ными MSC. Подобно эмбриональным, они экспрес- сируют маркеры мультипотентности, но, в отличие от эмбриональных стволовых клеток, не осуществляют неопластической трансформации при трансплантации иммунодефицитным животным [17, 25]. Продуктом клеток Вартонова студня пуповины человека являются волокнистые тканеподобные структуры, содержащие структурные белки ВКМ, факторы роста и молекулы клеточной адгезии [11], и являющиеся по сути природной тканеинженерной конструкцией. Таким образом, пуповина человека является источ- ником мультипотентных MSC со свойствами феталь- ных и постнатальных клеточных фенотипов, высокой пролиферативной активностью и дифференциро- вочным потенциалом, отсутствием туморогенности, стабильностью кариотипа, иммуномодулирующими возможностями. Физические свойства матриксов пуповины. Тради- ционные методики децеллюляризации удаляют клетки из тканей небольшой толщины. Плотные структуры Вартонова студня пуповины человека потребуют даже более энергичного биохимического воздействия и многократной отмывки от реагентов. Децеллюляризированные матриксы пуповины выполняют функции обеспечения механической прочности благодаря коллагеновым волокнам, рас- тяжимости - волокнам эластина, функции гидрата- ции микроокружения -протеогликанам; сохраняют биоактивные молекулы для сигналинга факторов роста и протеинов, которые важны для межклеточных коммуникаций, взаимодействия клеток с матриксом и формирования нового ВКM. Свойства бесклеточных матриксов провизорных органов указывают на их по- тенциал в организации таргетных органов. Помимо трехмерного матрикса пуповины [7], воз- можно получение ВКМ пуповины в виде гидрогеля, придающего особые свойства продукту [12]. Вязкие материалы способны подстраиваться под неравно- мерность зоны поражения с минимальным поврежде- нием тканей во время инъекции. Для придания формы инъецируемым гидрогелям ВКM их ферментативно солюбилизируют в жидкую форму, которая само- собирается в гидрогель при физиологическом рH 7,35-7,45 и температуре 38оС. Высокая концентрация GAG в биоматериале пуповины определяет высокую скорость гелеобразования по сравнению с ВКМ из постнатальных органов свиньи с низким содержанием гликозаминогликанов [12]. Существенной особенностью гидрогелей ВКM из постнатальных тканей является их сжатие при культивировании. Этот феномен характерен для коллагеновых гелей, засеянных фибробластами, производящими напряжение матрикса во время вы- движения и втягивания псевдоподий [8]. Гидрогели из нервной ткани и мочевого пузыря свиньи значительно 196 4 (64) - 2018 ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ Обзоры сокращались при 3D-культивировании MSC из Вар- тонова студня пуповины человека [21]. Сокращение инъектабельного гидрогеля ВКМ пуповины человека при культивировании фибробластов происходит су- щественно медленнее, чем в тканях животных [12]. Совершенно очевидно, что компоненты ВКМ пупови- ны наряду с клетками, также вносят свой вклад в феталь- ный фенотип заживления. В виде гидрогелей они могут представлять особый интерес для 3D-биопечати [16]. Процесс биопечати требует доставки среды и клеток в пространство, характеристики которого созданы в ре- зультате компьютерного моделирования, и таких свойств материала, как биосовместимость, высокая механиче- ская целостность и стабильность, нерастворимость в культуральной среде, биоразлагаемость, неиммуноген- ность. Задача напечатанной конструкции - сохранять сконструированную трехмерную архитектуру ткани и прочность в течение определенного периода времени после трансплантации и в прогнозируемое время де- градировать, заменяясь ремоделированными тканями. Применение ВКM в форме гидрогелей и для тканевой ин- женерии, и для 3D биопечати предпочтительно, поскольку эти материалы предполагают минимально инвазивную методику доставки при сохранении биологической актив- ности с преимуществом in situ полимеризации. ВКМ внеэмбриональных тканей, главным образом пуповины, отвечает задачам, стоящим перед гидро- гелями как средами для биопечати, которые будут за- селены клетками. Ему присущи и особые свойства ге- леобразования при физиологических значениях кис- лотно-основного состояния и температуре организма [12]. С полным основанием гидрогели из пуповины могут быть отнесены к категории смарт-гидрогелей [22]. Такие интеллектуальные гидрогели обладают уникальными характеристиками контролируемого золь-гель перехода, имеют определенную форму памяти, способность к самосборке. Например, аль- гинатные гидрогели, используемые в 3D-биопечати, обладают свойством фотоотвердевания, отвечая отдельным условиям сохранения формы. Однако нефизиологический способ отвердевания и иные не- достатки альгината требует поиска иных компонентов гидрогелей. Совершенно очевидно, что гомологичное происхождение биоматериала пуповины, его регене- раторные характеристики окажутся приоритетными для производства гидрогелей и тканевой инженерии. Заключение. Пуповина является не только пре- восходным биоматериалом для получения матриксов и гидрогелей, но и источником мультипотентных MSC, обладающих уникальным сочетанием свойств феталь- ных и постнатальных клеточных фенотипов, высокой пролиферативной активностью и дифференциро- вочным потенциалом, отсутствием туморогенности, стабильностью кариотипа, иммуномодулирующими возможностями, - по сути, перспективным объектом криохранения для нужд культивирования и приме- нения для создания таргетных тканеинженерных конструкций Пуповина и амнион, будучи доступными внеэм- бриональными структурами, сохраняют особенности строения и регенераторные потенции внеклеточного матрикса, свойственные эмбриональным тканям. По- нимание биологической основы фенотипа плода по- зволяет применить эти физиологические особенности для восстановления тканей в постнатальном периоде путем создания тканеинженерных конструкций из внеэмбрионального биоматериала с регенератор- ными потенциями, способных как минимум ускорить заживление повреждений, либо даже полностью их регенерировать. Внеклеточный матрикс незрелой пуповины сере- дины гестации потенциально может быть использован в тканевой инженерии урологических и гинекологи- ческих конструкций, поскольку фетальный фенотип ткани этого срока развития позволяет получить ма- трикс, способствующий заживлению регенераторного типа, но без восстановления кожных придатков, что оптимально для этих областей медицины. Таким об- разом, пуповина человека является превосходным природным материалом для создания тканеинженер- ных трансплантатов и гидрогелей для 3D-биопечати.

About the authors

L I Kalyuzhnaya

Email: vmeda-nio@mail.ru

O N Kharkevich

Email: vmeda-nio@mail.ru

A A Schmidt

Email: vmeda-nio@mail.ru

O V Protasov

Email: vmeda-nio@mail.ru

References

  1. Костюнина, В.С. Культуры мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток костного мозга, пуповины и плаценты отличаются по уровню экспрессии генов цитокинов, под- держивающих гемопоэз / В.С. Костюнина [и др.] // Гены & Клетки. - 2015. - Т. Х. - № 1. - С. 61-68.
  2. Федеральный закон от 23.06.2016 N 180-ФЗ «О биомеди- цинских клеточных продуктах» // Росс. газета. - 2016. - № 139. - 28 июня.
  3. Achterberg, V.F. The nano-scale mechanical properties of the extracellular matrix regulate dermal fibroblast function / V.F. Achterberg [et al.] // J. Invest. Dermatol. - 2014. - Vol. 134, № 7. - P. 1862-72.
  4. Akita, S. Basic fibroblast growth factor in scarless wound healing / S. Akita [et al.] // Adv. Wound Care. - 2013. - Vol. 2, № 2. - P. 44-49.
  5. Armstrong, J.R. Ontogeny of the skin and the transition from scar- free to scarring phenotype during wound healing in the pouch young of a marsupial, Monodelphis domestica / J.R. Armstrong [et al.] // Dev. Biol. - 1995. - № 169. - P. 42-260.
  6. Barrientos, S. Growth factors and cytokines in wound healing / S. Barrientos [et al.] // Wound Repair Regen. - 2008. - Vol.16. - P. 585-601.
  7. Beiki, B. Fabrication of a three dimensional spongy scaffold using human Wharton’s jelly derived extra cellular matrix for wound healing / B. Beiki [et al.] // Materials science & Engi- neering. Materials For Biological Applications. - 2017. - Vol. 78. - P. 627-638.
  8. Brown, R.A. In the beginning there were soft collagenβcell gels: towards better 3D connective tissue models? / R.A. Brown // Exp. Cell Res. - 2013. - № 319. - P. 2460.
  9. Davis, G.E. Matricryptic sites control tissue injury responses in the cardiovascular system: relationships to pattern recognition receptor regulated events / G.E. Davis // J. Mol. Cell Cardiol. - 2010. - Vol. 48. - P. 454-460.
  10. Galili, U. Avoiding detrimental human immune response against Mammalian extracellular matrix implants / U. Galili // Tissue Eng. Part B Rev. - 2015. - Vol. 21, № 2. - P. 231-241.
  11. Jaimes-Parra, B.D. Membranes derived from human umbilical cord Wharton’s jelly stem cells as novel bioengineered tissue-like constructs / B.D. Jaimes-Parra [et al.] // Histology and histopa- tology. - 2018. - Vol. 33, № 2. - P. 147-156. ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОЙ АКАДЕМИИ 4 (64) - 2018
  12. Koci, Z. Extracellular Matrix Hydrogel Derived from Human Umbilical Cord as a Scaffold for Neural Tissue Repair and Its Comparison with Extracellular Matrix from Porcine Tissues / Z. Koci [et al.] // Tissue Engineering Part C - Methods. - 2017. - Vol. 23, № 6. - P. 333 - 345.
  13. Kong, W. Germ plasm like Dot cells maintain their wound re- generative function after in vitro expansion / W. Kong [et al.] // Clin. Exp. Pharmacol. and Physiol. - 2010. - Vol. 37, № 4. - P. 136-144.
  14. Kulkarni, M.L. Absence of Wharton’s jelly around the umbilical arteries / M.L. Kulkarni [et al.] // Indian J. Pediatr. - 2007. - Vol. 74, № 8. - P. 787-789.
  15. Longaker, M.T. Adult skin wounds in the fetal environment heal with scar formation / M.T. Longaker [et al.] // Ann Surg. - 1994. - № 219. - P. 65-72.
  16. Murphy, S.V. 3D bioprinting of tissues and organs / S.V. Murphy // Nat. Biotechnol. - 2014. - Vol. 32. - P. 773-785.
  17. Sabapathy, V. Human Wharton’s Jelly Mesenchymal Stem Cells plasticity augments scar-free skin wound healing with hair growth / V. Sabapathy [et al.] // PLoS One. - 2014. - Vol. 9, № 4. - P. 93726.
  18. Satish, L. Cellular and molecular characteristics of scarless ver- sus fibrotic wound healing / L. Satish [et al.] // Dermatol. Res. Pract. - 2010. - P. 790234.
  19. Snyman, C. MMP-14 in skeletal muscle repair / C. Snyman [et al.] // J. Muscle Res Cell Motil. - 2015. - Vol. 36. - P. 215-225.
  20. Swinehart, I.T. Extracellular matrix bioscaffolds in tissue remodel- ing and morphogenesis / I.T. Swinehart [et al.] // Developmental Dynamics. - 2016. - Vol. 245. - P. 351-360.
  21. Tukmachev, D. Injectable Extracellular Matrix Hydrogels as Scaf- folds for Spinal Cord Injury Repair / D. Tukmachev [et al.] // Tissue Eng. - 2016. - Vol. 22. - P. 306-320.
  22. Wang, S. Smart hydrogels for 3D bioprinting / S. Wang [et al.] // Int. J. Bioprinting. - 2015. -Vol. 1, № 1. - P. 3-14.
  23. Wong, V.W. Focal adhesion kinase links mechanical force to skin fibrosis via inflammatory signaling / V.W. Wong [et al.] // Nat. Med. - 2011. - Vol. 18. - P. 148-152.
  24. Wulff, B.C. Mast cells contribute to scar formation during fetal wound healing / B.C. Wulff [et al.] // J. Invest. Dermatol. - 2012. - Vol. 132. - P. 458-465.
  25. Yagi, L.H. Human fetal wound healing: a review of molecular and cellular aspects / L.H. Yagi [et al.] // Eur. J. Plast. Surg. - 2016. - Vol. 39. - P. 239-246.

Statistics

Views

Abstract - 69

PDF (Russian) - 88

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2018 Kalyuzhnaya L.I., Kharkevich O.N., Schmidt A.A., Protasov O.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies