Regenerative properties of human extraembryonal organs in tissue engineering

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

Supplementary files