RU2386453C1 - Biotransplant based on foamed ceramic carriers of zirconium oxide and aluminium oxide system and multipotent stromal cells of human bone marrow for restoring extended bone tissue defects and method for making thereof - Google Patents

Biotransplant based on foamed ceramic carriers of zirconium oxide and aluminium oxide system and multipotent stromal cells of human bone marrow for restoring extended bone tissue defects and method for making thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2386453C1
RU2386453C1 RU2008140597/15A RU2008140597A RU2386453C1 RU 2386453 C1 RU2386453 C1 RU 2386453C1 RU 2008140597/15 A RU2008140597/15 A RU 2008140597/15A RU 2008140597 A RU2008140597 A RU 2008140597A RU 2386453 C1 RU2386453 C1 RU 2386453C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cells
bone marrow
carrier
zirconium oxide
bone
Prior art date
Application number
RU2008140597/15A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Вадимович Гольдштейн (RU)
Дмитрий Вадимович Гольдштейн
Татьяна Борисовна Бухарова (RU)
Татьяна Борисовна Бухарова
Тимур Хайсамудинович Фатхудинов (RU)
Тимур Хайсамудинович Фатхудинов
Андрей Витальевич Макаров (RU)
Андрей Витальевич Макаров
Александр Федорович Ильющенко (BY)
Александр Федорович Ильющенко
Лариса Владимировна Цедик (BY)
Лариса Владимировна Цедик
Original Assignee
Закрытое акционерное общество"РеМеТэкс"
Государственное научное учреждение "Институт порошковой металлургии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество"РеМеТэкс", Государственное научное учреждение "Институт порошковой металлургии" filed Critical Закрытое акционерное общество"РеМеТэкс"
Priority to RU2008140597/15A priority Critical patent/RU2386453C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2386453C1 publication Critical patent/RU2386453C1/en

Links

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention refers to medicine and represents a biotransplant based on a high-porous ceramic material of zirconium oxide - aluminium oxide system and multipotent stromal cells of human bone marrow for restoring the extended bone tissue defects characterised by that contains autologous or donor multipotent mesenchimal stromal cells (MMSC) of bone marrow and a carrier made of the high-porous ceramic material of zirconium oxide - aluminium oxide system by polyurethane foam base doubling with the carrier being densely seeded with MMSC cultivated within 1 to 3 passages; one carrier contains 200 to 500 thousand cells immobilised of the vitality at least 90%, while the functional targeting is verified by the ability to the directed differentiation of the mesodermal lines and the expression of stromal markers CD90 and CD105 in 60 - 90% of cells and the absence of expression of marker CD34 is shown.
EFFECT: invention provides accelerated repair processes and more effective osteointegration.
5 cl

Description

Изобретение предназначено для применения в регенеративной медицине с целью восстановления дефектов костной ткани, полученных в результате травматических и дегенеративных заболеваний.The invention is intended for use in regenerative medicine in order to repair bone defects resulting from traumatic and degenerative diseases.

Спектр используемых в настоящее время остеопластических матриц очень широк. Их основными требуемыми характеристиками являются биосовместимость, остеокондуктивность и достаточная механическая прочность. Введение в состав этих материалов клеточного компонента (остеобластов, стволовых клеток и т.д.) позволяет придать ему остеоиндуктивные свойства. Наибольший интерес для тканевой инженерии представляют мультипотентные стромальные клетки костного мозга (МСК), способные к дифференцировке в остеогенном, хондрогенном и адипогенном направлениях [1]. Введение клеток приводит к замещению утраченных клеточных элементов, индукции регенерации за счет выделения факторов роста и дифференцировки, формированию внеклеточного матрикса, что значительно ускоряет восстановление поврежденной ткани [2]. Иммобилизация культивированных клеток на матрице-носителе обеспечивает максимально высокую концентрацию клеток в области повреждения, дифференцировку в заданном направлении и повышает выживаемость клеток при трансплантации.The range of currently used osteoplastic matrices is very wide. Their main required characteristics are biocompatibility, osteoconductivity and sufficient mechanical strength. The introduction of the cellular component (osteoblasts, stem cells, etc.) into the composition of these materials makes it possible to impart osteoinductive properties to it. Of greatest interest for tissue engineering are multipotent stromal bone marrow cells (MSCs), capable of differentiation in osteogenic, chondrogenic and adipogenic directions [1]. The introduction of cells leads to the replacement of lost cellular elements, the induction of regeneration due to the allocation of growth factors and differentiation, the formation of an extracellular matrix, which significantly accelerates the restoration of damaged tissue [2]. Immobilization of cultured cells on a carrier matrix provides the highest concentration of cells in the area of damage, differentiation in a given direction and increases cell survival during transplantation.

Деминерализованный костный матрикс (ДКМ) благодаря естественной архитектонике, остеогенному потенциалу, обусловленному наличием биологически активных веществ, является одним из наиболее популярных материалов для остеопластики. Показана эффективность применения носителей на основе ДКМ с иммобилизованными МСК при восстановлении дефектов теменных костей у крыс и собак [3]. Запатентована технология лечения ложных суставов с использованием биотрансплантата на основе ДКМ и аутологичных МСК [4]. Недостатками данного ксеногенного материала являются необходимость обработки агрессивными жидкостями (снижающими клеточную адгезию), потенциальная иммуногенность и возможность переноса возбудителей инфекционных заболеваний.Demineralized bone matrix (DCM) due to the natural architectonics, osteogenic potential due to the presence of biologically active substances, is one of the most popular materials for osteoplasty. The effectiveness of using carriers based on DCM with immobilized MSCs in the restoration of defects of the parietal bones in rats and dogs was shown [3]. Patented technology for the treatment of false joints using a biograft based on DCM and autologous MSCs [4]. The disadvantages of this xenogenic material are the need for treatment with aggressive fluids (reducing cell adhesion), potential immunogenicity and the possibility of transfer of infectious disease pathogens.

Широко используемые синтетические биодеградируемые носители на основе полимолочной и полигликолевой кислот и их сополимеров в сочетании с МСК также демонстрируют индукцию остеогенеза in vitro и формирование костной ткани через 6-9 недель в экспериментах на животных [5]. Мембраны из полилактидов и/или полигликолидов, импрегнированные хондроцитами или МСК костного мозга, запатентованы как способ лечения костных и хрящевых дефектов человека и животных [6]. Минусами таких носителей является быстрая и не всегда предсказуемая деградация матриц, которая сопровождается локальным понижением рН в области имплантата, что снижает эффективность их применения [7].Widely used synthetic biodegradable carriers based on polylactic and polyglycolic acids and their copolymers in combination with MSCs also demonstrate in vitro induction of osteogenesis and bone formation after 6–9 weeks in animal experiments [5]. Membranes made of polylactides and / or polyglycolides impregnated with chondrocytes or bone marrow MSCs are patented as a method of treating bone and cartilage defects in humans and animals [6]. The disadvantages of such carriers is the rapid and not always predictable degradation of the matrices, which is accompanied by a local decrease in pH in the implant region, which reduces the effectiveness of their use [7].

Требуемая механическая прочность матриц для регенерации костной ткани определяет использование нерезорбируемых носителей на основе керамики и сплавов различных металлов. Известно применение остеогенных МСК костного мозга, нанесенных на пористый каркас из сплава никелида титана, предварительно покрытый раствором коллагена, для моделирования репаративной функции губчатой кости [8].The required mechanical strength of the matrices for bone tissue regeneration is determined by the use of non-resorbable carriers based on ceramics and alloys of various metals. It is known to use osteogenic MSCs of bone marrow deposited on a porous skeleton made of an alloy of titanium nickelide, previously coated with a collagen solution, for modeling the reparative function of the cancellous bone [8].

Задачей настоящего изобретения является создание биотрансплантата (тканеинженерной конструкции) для восполнения протяженных дефектов костной ткани на основе пористого пенокерамического носителя системы оксид циркония - оксид алюминия и мультипотентных стромальных клеток костного мозга человека.The present invention is the creation of a biograft (tissue engineering design) to make up for extended defects of bone tissue based on a porous ceramic foam carrier system of zirconium oxide-alumina and multipotent stromal cells of the human bone marrow.

Предложенный нами носитель изготовлен из нерезорбируемой оксидной пенокерамики системы оксид циркония - оксид алюминия. Композитные матрицы на основе данных соединений, а также с добавлением гидроксиапатита и других компонентов характеризуются высокой биосовместимостью [9], отсутствием антигенной активности, значительной механической прочностью, а также остеокондуктивными свойствами [10]. Остеоиндуктивность обеспечивается введением в состав трансплантата мультипотентных стромальных клеток костного мозга человека.The carrier proposed by us is made of non-resorbable oxide ceramic foam system zirconium oxide - alumina. Composite matrices based on these compounds, as well as with the addition of hydroxyapatite and other components, are characterized by high biocompatibility [9], the absence of antigenic activity, significant mechanical strength, and also osteoconductive properties [10]. Osteoinductance is provided by the introduction of multipotent stromal cells of the human bone marrow into the graft.

Пенокерамические носители, полученные методом дублирования пенополиуретановой основы, характеризуются предельно высоким (85-95%) значением пористости, развитой лабиринтно-арочной структурой, состоящей из взаимосвязанных открытых пор размером 50-200 мкм. Такая структура носителя позволяет создать оптимальные условия как для культивирования клеток, обеспечивая достаточный газообмен и снабжение питательными веществами, так и для формирования костной ткани in vivo. Микропористая поверхность матрицы благодаря адсорбции биологически активных макромолекул обеспечивает эффективное прикрепление и распластывание клеток. Значительная пролиферативная активность культивируемых на поверхности пенокерамических носителей МСК позволяет за короткий срок (7 суток) получить матрицу размером 5×5×5 мм, плотно заселенную жизнеспособными, функционально активными клетками.Ceramic foam carriers obtained by duplicating a polyurethane foam base are characterized by an extremely high (85-95%) porosity value developed by a labyrinth-arched structure consisting of interconnected open pores of 50-200 microns in size. Such a carrier structure makes it possible to create optimal conditions for both cell cultivation, providing sufficient gas exchange and supply of nutrients, and for bone formation in vivo. The microporous surface of the matrix due to the adsorption of biologically active macromolecules provides effective attachment and spreading of cells. Significant proliferative activity of MSCs cultivated on the surface of ceramic foam carriers allows for a short period (7 days) to obtain a 5 × 5 × 5 mm matrix densely populated by viable, functionally active cells.

Полученная тканеинженерная конструкция (ТИК) не является токсичной для окружающих тканей, т.к. материал не обладает цитотоксическим действием. Остеогенный потенциал адгезированных на поверхности носителя МСК определяет остеоиндуктивные свойства конструкции. Формообразующая функция ТИК обеспечивается механической прочностью матрицы.The resulting tissue engineering design (TEC) is not toxic to surrounding tissues, because the material does not have a cytotoxic effect. The osteogenic potential of the MSC adhered to the surface of the carrier determines the osteoinductive properties of the structure. The forming function of the TEC is ensured by the mechanical strength of the matrix.

Получение пенокерамического носителяPreparation of a ceramic foam carrier

Высокопористый керамический материал с ячеистой структурой (открытоячеистую пенокерамику) получали способом дублирования пенополиуретановой основы. Этот метод позволяет получать материал с предельно высоким (85-95%) значением пористости, которая характеризуется развитой лабиринтно-арочной структурой, состоящей из взаимосвязанных открытых пор размером 50-5000 мкм. Технология изготовления включает в себя следующие операции.A highly porous ceramic material with a cellular structure (open-cell foam ceramics) was obtained by duplicating a polyurethane foam base. This method allows to obtain material with an extremely high (85-95%) value of porosity, which is characterized by a developed labyrinth-arched structure, consisting of interconnected open pores of 50-5000 microns in size. Manufacturing technology includes the following operations.

1. Приготовление керамической суспензии с заданным содержанием порошков α-Аl2O3 и ZrO2 и требуемым комплексом реологических характеристик; влажность суспензии в пределах 27-29%.1. Preparation of a ceramic suspension with a given content of α-Al 2 O 3 and ZrO 2 powders and the required complex of rheological characteristics; suspension moisture content in the range of 27-29%.

2. Вырезка заготовки из пенополиуретана марки ППУ-30-100 ТУ 6-05-5127-82 с заданным размером ячейки (число отверстий на линейный дюйм - 60 ppi).2. Cutting the workpiece from polyurethane foam grade PPU-30-100 TU 6-05-5127-82 with a given cell size (the number of holes per linear inch is 60 ppi).

3. Травление (активация) ППУ-заготовки.3. Etching (activation) of PPU-billets.

4. Пропитка ППУ-заготовки керамической суспензией.4. Impregnation of PUF-blanks with a ceramic suspension.

5. Удаление избытков керамической суспензии путем сжатия заготовки при степени деформации 85%.5. Removing excess ceramic slurry by compressing the workpiece with a degree of deformation of 85%.

6. Сушка заготовки на воздухе при 110°С в течение 4 часов.6. Drying the workpiece in air at 110 ° C for 4 hours.

7. Выжигание ППУ при 400°С в течение 1 часа.7. Burnout of foam at 400 ° C for 1 hour.

8. Спекание в диапазоне температур (1600-1700)°С в течение 1 часа.8. Sintering in the temperature range (1600-1700) ° C for 1 hour.

9. Финишная обработка.9. Finishing.

Термообработка порошков системы оксид алюминия - оксид циркония в температурном интервале (100-1000)°С приводит к уменьшению удельной поверхности порошков со (180-230) до (32-50) м2/г и формированию кристаллической структуры порошков с появлением альфа и следов гамма фазы оксида алюминия и тетрагональной и моноклинной фазы оксида циркония.Heat treatment of alumina-zirconia system powders in the temperature range (100-1000) ° C leads to a decrease in the specific surface of the powders from (180-230) to (32-50) m 2 / g and the formation of the crystalline structure of the powders with the appearance of alpha and traces gamma phase of alumina and tetragonal and monoclinic phases of zirconium oxide.

Сформированный из порошков по предложенной технологий пористый каркас имеет однородное распределение пор по размерам, округлую форму перемычек, что хорошие предпосылки для формирования композиционного материала методом последующей пропитки. Полученый пенокерамический каркас пористостью 82-84% имеет предел прочности при сжатии около 50 МПа, что соизмеримо с прочностью пластинчатой костной ткани.The porous skeleton formed from powders according to the proposed technology has a uniform pore size distribution, rounded shape of jumpers, which are good prerequisites for the formation of composite material by the method of subsequent impregnation. The resulting ceramic foam frame with a porosity of 82-84% has a compressive strength of about 50 MPa, which is comparable with the strength of lamellar bone tissue.

Для создания тканеинженерной конструкции используют образцы из биокерамики в виде трехмерных блоков размером 0,5×0,5×0,2 см с диаметром пор от 50 до 100 нм и РРI=60 (количество отверстий на линейный дюйм).Samples of bioceramics in the form of three-dimensional blocks 0.5 × 0.5 × 0.2 cm in size with pore diameters from 50 to 100 nm and PPI = 60 (number of holes per linear inch) are used to create a tissue-engineering design.

Получение культуры мультипотентных стромальных клеток (МСК)Obtaining a culture of multipotent stromal cells (MSCs)

Источником МСК является взвесь костного мозга, полученная путем эксфузии из заднего гребня подвздошной кости доноров.The source of MSCs is a suspension of bone marrow obtained by exfusion from the posterior ileal crest of the donors.

Аспират костного мозга наслаивают на разделяющий градиент раствора фикола (плотность 1,077 г/мл) и центрифугируют при 1300 об/мин в течение 20 мин при +4°С. Интерфазное кольцо с ядросодержащими клетками отбирают и центрифугируют при 1100 об/мин в течение 10 мин при +4°С. Супернатант удаляют, а клеточный осадок суспендируют в культуральной среде (DMEM/F12 1:1 («ПанЭко», РФ) с добавлением 10% эмбриональной телячьей сыворотки («HyClone-Perbio», США), 2 mМ L-глутамина («ПанЭко», РФ) и 0,5 мг/мл амикацина («Синтез АКО», РФ). Суспензию клеток рассевают на пластиковые чашки Петри (Nunclon) диаметром 90 мм в концентрации 104 клеток на 1 мл и инкубируют при стандартных условиях (температуре 37°С, в условиях насыщающей влажности в атмосфере с 5% СО2) Через 24 часа неприкрепленные клетки удаляют, а прикрепившиеся клетки промывают культуральной средой и инкубируют до достижения 75-85% конфлюентности. В дальнейшем смену среды проводят каждые 2-3 суток в зависимости от ростовых характеристик культуры. Первые колонии появляются через 7-10 суток. Анализируют динамику их роста и клеточную морфологию, и по результатам отбирают мелкоклеточные быстрорастущие колонии для дальнейшего размножения. Отобранные клетки инкубируют до достижения неполного монослоя (не более 50% конфлюентности) и вновь рассевают в той же плотности. Культивирование проводят до 3-4 пассажа до получения необходимого количества клеточной массы (в течение 4-5 недель).A bone marrow aspirate is layered on a ficol solution separating gradient (density 1.077 g / ml) and centrifuged at 1300 rpm for 20 min at + 4 ° C. The interphase ring with nucleated cells is selected and centrifuged at 1100 rpm for 10 min at + 4 ° C. The supernatant is removed, and the cell pellet is suspended in culture medium (DMEM / F12 1: 1 (PanEco, RF) with the addition of 10% fetal calf serum (HyClone-Perbio, USA), 2 mM L-glutamine (PanEco) , RF) and 0.5 mg / ml amikacin (Synthesis of AKO, RF). A cell suspension is plated on plastic Petri dishes (Nunclon) with a diameter of 90 mm at a concentration of 10 4 cells per 1 ml and incubated under standard conditions (temperature 37 ° C, under saturating with moisture in an atmosphere of 5% CO 2) After 24 hours, nonadherent cells were removed and adherent cells were washed with culture cFe they are incubated until 75-85% confluency is reached. Subsequently, the medium is changed every 2-3 days depending on the growth characteristics of the culture. The first colonies appear after 7-10 days. Their growth dynamics and cell morphology are analyzed, and small-cell ones are selected according to the results fast-growing colonies for further propagation Selected cells are incubated until an incomplete monolayer is reached (no more than 50% confluency) and again scattered in the same density. Cultivation is carried out up to 3-4 passages until the required amount of cell mass is obtained (within 4-5 weeks).

На всех этапах выделения проводят иммунофенотипическую характеристику МСК по специфическим, сателлитным и негативным маркерам (виментин, CD 45, HLA-ABC, CD 29, CD 44, CD 49d, CD 71, CD 73, CD 90, CD 105, CD 106, CD 54) с помощью проточного цитофлуориметра FACS Caliber (“BD Biosciences”, США).At all stages of isolation, immunophenotypic characterization of MSCs is performed by specific, satellite, and negative markers (vimentin, CD 45, HLA-ABC, CD 29, CD 44, CD 49d, CD 71, CD 73, CD 90, CD 105, CD 106, CD 54) using a FACS Caliber flow cytometer (BD Biosciences, USA).

Подготовка матрицы-носителяPreparing the carrier matrix

Пенокерамические носители подвергают стерилизации методом γ-облучения в дозе 2,5 Мрад. Данный способ стерилизации не вызывает изменений физико-механических и медико-биологических свойств. Затем носители промывают физиологическим раствором и высушивают в потоке воздуха.Ceramic foam carriers are subjected to sterilization by γ-irradiation at a dose of 2.5 Mrad. This sterilization method does not cause changes in physico-mechanical and biomedical properties. Then the media is washed with saline and dried in a stream of air.

Методика заселения образцов МСКMethods of populating MSC samples

Подготовленные образцы помещают в 12 или 24-луночные планшеты (Nunk, Дания). Для приготовления клеточной суспензии МСК на 2-3 пассаже снимают с чашек Петри раствором трипсина-Версена, центрифугируют при 1100 об/мин в течение 10 мин при +24°С, осадок ресуспендируют в культуральной среде. Полученную суспензию с концентрацией клеток от 1 до 2 млн. в 1 мл среды наносят на образцы из расчета 100 мкл суспензии на 100 мг образца. Благодаря выраженным капиллярным свойствам носителя суспензия быстро проникает внутрь. Инкубируют в течение 60 мин при стандартных условиях для инициации прикрепления клеток к стенкам поровых каналов и добавляют культуральную среду. Через сутки образцы перекладывают в новые плашки. Смену культуральной среды проводят каждые два дня.Prepared samples are placed in 12 or 24-well plates (Nunk, Denmark). To prepare the cell suspension, MSCs at passage 2–3 were removed from Petri dishes with trypsin-Versen solution, centrifuged at 1100 rpm for 10 min at + 24 ° С, and the precipitate was resuspended in the culture medium. The resulting suspension with a cell concentration of 1 to 2 million in 1 ml of medium is applied to the samples at the rate of 100 μl of suspension per 100 mg of sample. Due to the pronounced capillary properties of the carrier, the suspension quickly penetrates inside. Incubated for 60 min under standard conditions to initiate the attachment of cells to the walls of the pore channels and culture medium is added. After a day, the samples are transferred to new plates. The change of culture medium is carried out every two days.

Оценка цитосовместимости матриц-носителейAssessment of cytocompatibility of carrier matrices

Цитотоксичность образцов оценивают с помощью МТТ-теста, основанного на способности сукцинатдегидрогеназы митохондрий живых клеток восстанавливать светло-желтый МТТ тетразолиум (3-(4,5-диметилтиазолил-2)-2,5-дифенилтетразолиум бромид) до нерастворимого темноокрашенного формазана, экстрагируемого из клеток с помощью органических сольвентов (ДМСО). Результаты теста показали, что пенокерамические образцы системы оксид циркония - оксид алюминия не обладали токсическим действием в отношении МСК в системе in vitro. Отсутствие деградации носителя позволяет исключить вероятность токсического эффекта и в более продолжительных экспериментах in vivo.The cytotoxicity of the samples was assessed using an MTT test based on the ability of living cell mitochondria succinate dehydrogenase to restore light yellow MTT tetrazolium (3- (4,5-dimethylthiazolyl-2) -2,5-diphenyltetrazolium bromide) to insoluble, dark-colored formazan extractable using organic solvents (DMSO). The test results showed that ceramic foam samples of the zirconium oxide - alumina system did not have a toxic effect on MSCs in the in vitro system. The absence of carrier degradation eliminates the likelihood of a toxic effect in longer in vivo experiments.

Образцы, имеющие открыто-ячеистую структуру пористость 82-84% и шероховатый рельеф, характеризуются большой удельной площадью поверхности. Благодаря этому матрицы обладают выраженным капиллярным эффектом - клеточная суспензия, нанесенная на предварительно подготовленные образцы, незамедлительно проникает внутрь. Микропористая структура матрицы, образованная микрочастицами оксидных соединений (размером от 200 до 900 нм), способствует адсорбции из культуральной среды биологически активных макромолекул, которые стимулируют прикрепление и распластывание клеток. По данным электронной микроскопии клетки на пенокерамических носителях выглядят хорошо распластанными по поверхности матрицы, плотно прилегающими к ней. Таким образом, структурированная поверхность исследуемых образцов, как и ожидалось, является благоприятной основой для клеточной адгезии.Samples having an open-cellular structure with a porosity of 82-84% and a rough relief are characterized by a large specific surface area. Due to this, the matrices have a pronounced capillary effect - a cell suspension applied to previously prepared samples immediately penetrates inside. The microporous matrix structure formed by microparticles of oxide compounds (sizes from 200 to 900 nm) promotes the adsorption of biologically active macromolecules from the culture medium, which stimulate cell attachment and spreading. According to electron microscopy, cells on ceramic foam carriers look well spread over the surface of the matrix, tightly adjacent to it. Thus, the structured surface of the test samples, as expected, is a favorable basis for cell adhesion.

Количественная и визуальная оценка роста МСК выявила значительную пролиферативную активностью клеток при культивировании на поверхности пенокерамических носителей размером 5×5×5 мм. Среднее время удвоения МСК составило около 72 часов. Это позволяет за короткий срок (7 суток) получить матрицу, плотно заселенную клетками. Выживаемость клеток, культивированных в образцах, составляет не менее 95%. При этом распределение клеток в объеме носителя достаточно равномерное. Морфологически клетки, адгезированные в глубине носителя, не отличаются от расположенных на периферии - они имеют схожую вытянутую или полигональную форму и сильно распластаны. Данные результаты свидетельствуют об эффективном заселении носителей МСК по всему объему и хорошей выживаемости клеток в центральных областях, что позволяет предположить возможность относительно одновременного и эффективного формирования костной ткани в глубине и по периферии носителя.Quantitative and visual assessment of MSC growth revealed a significant proliferative activity of cells upon cultivation on the surface of ceramic foam carriers of size 5 × 5 × 5 mm. The average time for doubling MSCs was about 72 hours. This allows for a short period (7 days) to obtain a matrix densely populated by cells. The survival rate of cells cultured in the samples is at least 95%. Moreover, the distribution of cells in the volume of the carrier is quite uniform. Morphologically, the cells adhered in the back of the carrier do not differ from those located on the periphery - they have a similar elongated or polygonal shape and are very flat. These results indicate the effective colonization of MSC carriers throughout the volume and good cell survival in the central regions, which suggests the possibility of relatively simultaneous and efficient bone formation in the depth and along the periphery of the carrier.

Применение разрабатываемых ТИК для восполненя протяженных костных дефектов предполагает изготовление носителей различного размера и формы. Выбранная структура пенокерамических носителей и условия культивирования позволяют эффективно заселять и растить МСК на носителях диаметром 18 мм. Клетки внутри таких носителей морфологически не отличаются от культивируемых на образцах меньших размеров, также достаточно равномерно распределены по объему образца, а их выживаемость составляет около 90%. Таким образом, показана возможность эффективного культивирования клеток на расстоянии до 900 мкм от края носителя, а следовательно, оправдано изготовление трансплантатов для замещения дефектов толщиной до 18 мм. Следует отметить, что трансплантация ТИК таких больших размеров требует применения дополнительных методов индукции ангиогенеза с целью повышения выживаемости клеток in vivo.The use of the developed TECs to make up for long bone defects involves the manufacture of carriers of various sizes and shapes. The selected structure of ceramic foam carriers and cultivation conditions allow us to effectively populate and grow MSCs on carriers with a diameter of 18 mm. The cells inside such carriers do not morphologically differ from those cultured on smaller samples, are also fairly evenly distributed over the volume of the sample, and their survival rate is about 90%. Thus, the possibility of efficient cultivation of cells at a distance of up to 900 μm from the edge of the carrier is shown, and therefore, the manufacture of grafts to replace defects up to 18 mm thick is justified. It should be noted that TEC transplantation of such large sizes requires the use of additional methods for the induction of angiogenesis in order to increase cell survival in vivo.

Культивирование МСК на носителях размером от 5 мм до 18 мм в поперечном сечении осуществляется при стандартных условиях и не требует создания каких-либо дополнительных условий, например перфузии среды (как это рекомендовано при создании других тканеинженерных конструкций). Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что выбранная структура носителя с макропорами размером от 50 до 200 мкм обеспечивает достаточный газообмен и снабжение клеток питательными веществами, не требуя создания особых условий культивирования.The cultivation of MSCs on carriers with sizes from 5 mm to 18 mm in cross section is carried out under standard conditions and does not require the creation of any additional conditions, for example, perfusion of the medium (as recommended when creating other tissue-engineering structures). Experimental data indicate that the selected carrier structure with macropores ranging in size from 50 to 200 microns provides sufficient gas exchange and supply of cells with nutrients, without requiring the creation of special cultivation conditions.

Общее время изготовления трансплантата от момента забора костного мозга до получения полностью заселенной МСК пенокерамической матрицы составляет в среднем около 6-7 недель и определяется концентрацией и пролиферативной активностью МСК в костномозговой взвеси и размерами носителя, задающими необходимое количество клеток для заселения.The total production time of the graft from the moment of bone marrow collection to the receipt of a fully populated MSC of the ceramic foam matrix is on average about 6-7 weeks and is determined by the concentration and proliferative activity of MSC in the bone marrow suspension and the size of the carrier, setting the required number of cells for population.

Трансплантат представляет собой носитель, плотно заселенный МСК, культивированными от 1 до 3 пассажей, в глубине и по периферии. На одном носителе иммобилизовано от 200 до 500 тысяч клеток. Витальность, определяемая по исключению окрашивания 0,4% трипановым синим, составляет не менее 90%. Функциональная активность МСК подтверждается способностью к направленной дифференцировке в мезодермальные линии в индуктивных средах. С помощью иммунофенотипического анализа демонстрируется экспрессия стромальных маркеров CD90 и CD 105 у 60-90% клеток и отсутствие экспрессии маркера CD34.The graft is a carrier densely populated by MSCs, cultured from 1 to 3 passages, in depth and along the periphery. From one carrier, 200 to 500 thousand cells are immobilized. Vitality, determined by the exclusion of staining with 0.4% trypan blue, is at least 90%. The functional activity of MSCs is confirmed by the ability to directed differentiation into mesodermal lines in inductive media. Immunophenotypic analysis demonstrates the expression of stromal markers CD90 and CD 105 in 60-90% of cells and the lack of expression of the marker CD34.

Эффективность использования предложенной тканеинженерной конструкцииThe effectiveness of the proposed fabric engineering design

Экспериментальное исследованиеExperimental study

ЖивотныеAnimals

В работе использовали половозрелых самцов беспородных крыс весом 180-200 г. Животных содержали на стандартной лабораторной диете. За 24 часа до проведения оперативного вмешательства животные не получали пищи. Проведено 3 серии экспериментов на 72 животных.We used sexually mature male outbred rats weighing 180-200 g. The animals were kept on a standard laboratory diet. 24 hours before surgery, the animals did not receive food. Conducted 3 series of experiments on 72 animals.

Экспериментальные моделиExperimental models

Разработанная методика операций во всех сериях опыта была одинаковой с соблюдением правил асептики.The developed methodology of operations in all series of experiments was the same with the observance of asepsis rules.

Работа с лабораторными животными проводилась в соответствии с приказом Минздрава СССР №755 от 12.08.1977. На проведение экспериментального исследования было получено разрешение Комиссии по биоэтике ЗАО «Реметэкс» (Протокол №3 от 21.02.2008). Оперативные вмешательства проводили под эфирным наркозом, до и после операции животным вводили ненаркотические анальгетики.Work with laboratory animals was carried out in accordance with the order of the USSR Ministry of Health No. 755 of 08/12/1977. To conduct an experimental study, permission was obtained from the Bioethics Commission of Remetex CJSC (Minutes No. 3 dated 02.21.2008). Surgical interventions were performed under ether anesthesia, before and after the operation, animals were administered non-narcotic analgesics.

Для изучения репаративных процессов костной ткани при трансплантации тканеинженерной конструкции дефект наносили в области свода черепа животных. Перед операцией шерсть с мозговой части черепа крысы состригали. В области теменных и межтеменной костей черепа производили разрез кожи длиной 3 см. Послойно рассекали фасции и мышцы, отводили в стороны и обнажали поверхность костей, тупым способом отслаивали надкостницу. Дефект костной ткани наносили в середине свода черепа, выпиливая с помощью круговой стоматологической фрезы округлое отверстие диаметром 7 мм, не повреждая твердую мозговую оболочку, признаком чего служило отсутствие обильного кровотечения из мозговых венозных синусов. Для остановки кровотечения из эндоста и губчатой кости применяли марлевые тампоны. В дно дефекта на поверхность твердой мозгвой оболочки накладывали тканеинженерную конструкцию (ТИК) или матрицу-носитель без клеток, так чтобы ее края плотно прилегали к краям дефекта, после чего дефект закрывали надкостницей и рану послойно ушивали. Наркоз и операцию, длившуюся 15-20 минут, все животные переносили удовлетворительно без ранних и поздних осложнений.To study the reparative processes of bone tissue during transplantation of a tissue-engineering construct, a defect was applied in the area of the cranial vault of animals. Before surgery, the hair from the brain of the rat skull was sheared. In the area of the parietal and inter-dark parietal bones of the skull, a 3-cm-long skin incision was made. Fascia and muscles were dissected in layers, removed to the sides and exposed the surface of the bones, the periosteum was bluntly peeled. A bone defect was applied in the middle of the cranial vault, using a circular dental cutter, cutting a rounded hole with a diameter of 7 mm without damaging the dura mater, which was indicated by the absence of heavy bleeding from the cerebral venous sinuses. To stop bleeding from the endosteum and cancellous bone, gauze swabs were used. In the bottom of the defect, a tissue-engineering structure (TEC) or a carrier matrix without cells was placed on the surface of the dura mater, so that its edges fit snugly against the edges of the defect, after which the defect was closed with the periosteum and the wound was sutured in layers. Anesthesia and surgery lasting 15-20 minutes, all animals tolerated satisfactorily without early and late complications.

Для изучения репарации мягких тканей, неоангиогенеза, прорастания ТИК тканями реципиента ТИК вводили подкожно в области спины крысы. Для этого шерсть на спине животного состригали и делали два разреза, один в области холки, другой на 4 см каудальнее первого разреза. Тупым способом разводили фасции и погружали ТИК в оба сформированных ложа, после чего рану ушивали.To study the repair of soft tissues, neoangiogenesis, germination of TECs by the tissues of the recipient, TECs were injected subcutaneously in the back of the rat. To do this, the hair on the back of the animal was sheared and made two cuts, one in the withers area and the other 4 cm more caudal than the first cut. The fascia was diluted in a blunt manner and the TEC was immersed in both formed beds, after which the wound was sutured.

Серии экспериментовSeries of experiments

В ходе исследования было проведено 3 серий экспериментов.During the study, 3 series of experiments were conducted.

1. Группа 1а - в костный дефект черепа вводили ТИК (матрица-носитель на основе пенокерамики и предкультвированные на нем МСК), n=12.1. Group 1a — TEC (a carrier matrix based on foam ceramics and MSCs pre-cultured on it) were introduced into the bone defect of the skull, n = 12.

2. Группа 1b - в костный дефект черепа вводили матрицу-носитель (на основе пенокерамики) без клеток, n=12.2. Group 1b — a carrier matrix (based on ceramic foam) without cells was introduced into the bone defect of the skull, n = 12.

3. Группа 2а - подкожно в области спины вводли ТИК (матрица-носитель на основе пенокерамики и предкультвированные на нем МСК), n=12.3. Group 2a - TIC (matrix-carrier based on foam ceramics and MSCs pre-cultured on it) were injected subcutaneously in the back region, n = 12.

4. Группа 2b - подкожно в области спины вводили матрицу-носитель (на основе пенокерамики) без клеток, n=12.4. Group 2b — a carrier matrix (based on ceramic foam) without cells was injected subcutaneously in the back region, n = 12.

5. Группа 3а - подкожно в области спины вводли ТИК (матрица-носитель на основе полимолочной кислоты и предкультвированные на нем МСК), n=12.5. Group 3a - TIC (a support matrix based on polylactic acid and MSCs pre-cultured on it) were injected subcutaneously in the back region, n = 12.

6. Группа 3b - подкожно в области спины вводили матрицу-носитель (на основе полимолочной кислоты) без клеток, n=12.6. Group 3b - a matrix of the carrier (based on polylactic acid) without cells was injected subcutaneously in the back, n = 12.

Выведение животных из эксперимента во всех сериях проводили на 21 и 60 сутки наблюдения путем цервикальной дислокации под глубоким эфирным наркозом.The animals were removed from the experiment in all series on the 21st and 60th day of observation by cervical dislocation under deep ether anesthesia.

Анализ материалаMaterial analysis

В первой серии эксперимента выделенные объекты костной тани фиксировали в 10% нейтральном формалине и декальцинировали в 25% растворе Трилона Б. Заливку фрагментов полученных тканей в парафин и изготовление серийных срезов проводили по общепринятой методике. Срезы окрашивали по Маллори. Препараты исследовали с помощью микроскопа фирмы Zeiss Axioplan-2, фотосъемку проводили цифровой камерой Hitachi HV-C20A.In the first series of the experiment, the isolated bone-marrow objects were fixed in 10% neutral formalin and decalcified in a 25% Trilon B. solution. The fragments of the obtained tissues were poured into paraffin and serial sections were prepared according to the generally accepted technique. Sections were stained according to Mallory. The preparations were examined using a Zeiss Axioplan-2 microscope; photography was performed with a Hitachi HV-C20A digital camera.

Для доказательства воспроизводимости повреждения костной ткани черепа для опытной и контрольной групп было определена суммарная площадь регенерата с помощью морфометрической программы Scion Image 3.0.To prove the reproducibility of damage to the bone tissue of the skull for the experimental and control groups, the total regenerate area was determined using the Scion Image 3.0 morphometric program.

Использование однофакторного дисперсионного анализа продемонстрировало отсутствие статистически достоверных различий между группами (достигнутый уровень достоверности р=0,975). Таким образом, была показана воспроизводимость повреждения, что обусловило корректность сравнения долей структурных компонентов регенерата.The use of one-way analysis of variance demonstrated the absence of statistically significant differences between groups (achieved confidence level p = 0.975). Thus, the reproducibility of damage was shown, which led to the correctness of the comparison of the shares of the structural components of the regenerate.

Для проведения морфометрического анализа на микрофотограммах в программе Scion Image 3.0 выделяли весь регенерат и его компоненты: ТИК, интегрированные с ТИК соединительную ткань и костную часть регенерата, внутри которой учитывали зрелый костный регенерат.To conduct morphometric analysis on microphotograms in Scion Image 3.0, the entire regenerate and its components were isolated: TEC, connective tissue and bone part of the regenerate integrated with TEC, inside which mature bone regenerate was taken into account.

Площадь регенерата и каждого из компонентов регенерата определяли в пикселях и переводили в условные единицы (1 условная единица =10 пикселей).The area of the regenerate and each of the components of the regenerate was determined in pixels and converted into arbitrary units (1 conventional unit = 10 pixels).

Полученные значения величин площадей структурных компонентов регенерата соотносили с величиной его общей площади. Эти относительные величины использовали при статистической обработке материала, которую проводили с помощью программы Statistica 6.0.The obtained values of the areas of the structural components of the regenerate were correlated with the value of its total area. These relative values were used in the statistical processing of the material, which was carried out using the program Statistica 6.0.

Если распределение в подгруппе не соответствовало нормальному, проводили трансформацию данных. Для сравнения средних использовали критерий Стьюдента.If the distribution in the subgroup was not normal, the data was transformed. For comparison of means used student's criterion.

Результаты экспериментального исследованияExperimental Results

Двадцать первые сутки наблюденияThe twenty first day of observation

В опытных и контрольных группах на 21 сутки после травматического повреждения в области дефекта уже не было выявлено гематомы и признаков воспалительной реакции. ТИК и регенерат целиком заполняли пространство между отломками. Края отломков, лишенные остеоцитов, подвергались активной резорбции.In the experimental and control groups, on the 21st day after the traumatic injury, no hematomas and signs of an inflammatory reaction were detected in the defect area. TEC and regenerate completely filled the space between the fragments. Edges of fragments devoid of osteocytes underwent active resorption.

Костная мозоль состояла из двух частей: соединительно-тканной и костной. Рыхлая неоформленная соединительная ткань располагалась между краями ТИК и материнской кости, при этом проростала в область расположения ТИК. Соединительная ткань в регенерате характеризовалась высокой плотностью пролиферирующих клеточных элементов. Клетки имели веретеновидную, полигональную или округлую форму и были окружены волокнистым межклеточным матриксом. Вокруг кровеносных сосудов располагались плотные скопления фибробластоподобных клеток, которые приобрели округлую и плоскую форму и образовывали неравномерно окрашенные первичные костные балки.Bone callus consisted of two parts: connective tissue and bone. Loose unformed connective tissue was located between the edges of the TEC and the maternal bone, while it grew into the region of the TEC. The connective tissue in the regenerate was characterized by a high density of proliferating cellular elements. The cells had a fusiform, polygonal or rounded shape and were surrounded by a fibrous intercellular matrix. Around the blood vessels were dense clusters of fibroblast-like cells, which acquired a rounded and flat shape and formed unevenly colored primary bone beams.

Структуры костного регенерата, расположенные беспорядочно между участками соединительной ткани, были представлены сетью костных трабекул. Ретикулофиброзная костная ткань занимала незначительную часть регенерата между ТИК и материнской костью. Поверхностные участки регенерата были представлены сеткой из незрелых костных трабекул с неравномерно окрашенным матриксом и рыхлой соединительной тканью и капиллярами кровеносных сосудов в межтрабекулярных пространствах. В опытной группе (1а) на этих сроках наблюдения регенерат в большей степени был представлен рыхлой волокнистой соединительной тканью и в меньшей степени костным регенератом, так же как и в контрольной группе, но в опытной группе участков ретикулофиброзной кости было больше. В более глубоких участках регенерата новообразованная костная ткань по мере утолщения костных трабекул подвергалась компактизации, уменьшалась плотность клеток в межклеточном веществе, и костный матрикс был более интенсивно окрашен.Bone regenerate structures located randomly between areas of connective tissue were represented by a network of bone trabeculae. Reticulofibrotic bone tissue occupied an insignificant part of the regenerate between the TEC and the maternal bone. The surface areas of the regenerate were represented by a network of immature bone trabeculae with an unevenly colored matrix and loose connective tissue and capillaries of blood vessels in the intertrabular spaces. In the experimental group (1a) at these periods of observation, the regenerate was mostly represented by loose fibrous connective tissue and, to a lesser extent, bone regenerate, as well as in the control group, but there were more sites of reticulofibrotic bone in the experimental group. In deeper regions of the regenerate, the newly formed bone tissue underwent compaction as the bone trabeculae thickened, the cell density in the intercellular substance decreased, and the bone matrix was more intensely stained.

Таким образом, на 21 сутки эксперимента во всех группах наблюдали активный интрамембранозный репаративный остеогенез. Дефект кости был полностью заполнен ТИК и плотно спаянным с ней регенератом, последний был представлен рыхлой соединительной тканью и ретикулофиброзной костной тканью. Различия между опытной и контрольной группами заключались в скорости репаративных процессов, то есть в динамике увеличения доли костной части регенерата и уменьшения доли рыхлой соединительной ткани.Thus, on the 21st day of the experiment, active intramembranous reparative osteogenesis was observed in all groups. The bone defect was completely filled with TEC and regenerate tightly welded with it; the latter was represented by loose connective tissue and reticulofibrotic bone tissue. The differences between the experimental and control groups consisted in the rate of reparative processes, that is, in the dynamics of an increase in the proportion of the bony part of the regenerate and a decrease in the proportion of loose connective tissue.

Результаты морфометрического исследования также выявили статистически значимые межгрупповые различия.The results of the morphometric study also revealed statistically significant intergroup differences.

В группе с введением в костную рану ТИК наблюдали интенсивное увеличение доли костной части регенерата (38,4±4,7% против 20,1±2,3%) при соответственном уменьшении доли соединительной ткани (62,2±9,7% против 81,3±12,1%) по сравнению с контрольной группой (р<0,0001). Отмечали также появление признаков компактизации кости, на некоторых срезах была выявлена зрелая компактная костная ткань, доля которой составила 1,78±0,8%, в то время как в контрольной группе она отсутствовала.In the group with the introduction of TIC into the bone wound, an intensive increase in the share of the bone part of the regenerate was observed (38.4 ± 4.7% versus 20.1 ± 2.3%) with a corresponding decrease in the proportion of connective tissue (62.2 ± 9.7% against 81.3 ± 12.1%) compared with the control group (p <0.0001). The appearance of signs of bone compaction was also noted, in some sections mature compact bone tissue was revealed, the proportion of which was 1.78 ± 0.8%, while it was absent in the control group.

Таким образом, на основании данных морфометрического исследования можно утверждать, что на 21 сутки после травматического повреждения кости под влиянием введения матрицы-носителя с предкультивированными на ней МСК в костной ране происходит увеличение доли костной части регенерата и уменьшение доли соединительной ткани. Ускорение репаративных процессов выражается и в том, что в опытной группе на этом сроке появились признаки созревания костной мозоли.Thus, based on the data of morphometric studies, it can be argued that on the 21st day after traumatic bone damage under the influence of the introduction of a carrier matrix with pre-cultured MSCs in the bone wound, there is an increase in the share of the bone part of the regenerate and a decrease in the share of connective tissue. Acceleration of reparative processes is also expressed in the fact that in the experimental group at this time there were signs of bone marrow maturation.

Шестидесятые сутки наблюдения60th day of observation

На 60 сутки эксперимента, так же как и 21, в области травматического повреждения не было выявлено признаков отторжения трансплантата. Пространство между ТИК или матрицей-носителем было целиком заполнено регенератом. При этом отмечалось плотное прилегание костной ткани к поверхности имплантата с интерпозицией рыхлой волокнистой соединительной ткани и костной ткани. Что позволяет утверждать об эффективной остеоинтеграции между ТИК и материнской костью. Часть костного регенерата подвергалась активной резорбции, и кость приобретала физиологические форму и размеры исходной кости.On day 60 of the experiment, as well as 21, there were no signs of transplant rejection in the area of traumatic injury. The space between the TEC or the carrier matrix was completely filled with regenerate. In this case, a tight fit of the bone tissue to the surface of the implant was observed with interposition of loose fibrous connective tissue and bone tissue. That allows us to argue about effective osseointegration between TECs and maternal bone. Part of the bone regenerate underwent active resorption, and the bone acquired the physiological shape and size of the original bone.

Костная мозоль на этих сроках большей частью состояла из костной ткани. Сохранялись лишь незначительные участки рыхлой соединительной ткани в межтрабекулярных пространствах ретикулофиброзной кости. Ретикулофиброзная костная ткань была представлена широкими мощными костными трабекулами, межтрабекулярные пространства в виде узких каналов, заполненных костным мозгом и кровеносными сосудами.Bone callus at these times consisted mostly of bone tissue. Only insignificant areas of loose connective tissue remained in the intertrabular spaces of the reticulofibrotic bone. Reticulofibrotic bone tissue was represented by wide powerful bone trabeculae, intertrabular spaces in the form of narrow channels filled with bone marrow and blood vessels.

Вокруг кровеносных сосудов можно было видеть образование концентрически расположенных костных пластинок, которые более интенсивно окрашивались. У животных, которым вводили ТИК, таких участков с более интенсивно окрашенным костным матриксом было больше, что свидетельствует об активном созревании костного регенерата. По степени зрелости регенерат приближался к исходной кости, однако края отломков исходной кости до сих пор подвергались резорбции и еще можно было видеть пустые костные лакуны.Around the blood vessels one could see the formation of concentrically located bone plates, which were more intensely stained. In animals that were injected with TECs, there were more such sites with a more intensively stained bone matrix, which indicates active maturation of bone regenerate. In terms of maturity, the regenerate was approaching the original bone, however, the edges of the fragments of the original bone were still resorbed and empty bone lacunae could still be seen.

Таким образом, на 60 сутки эксперимента отмечалось восстановление структуры кости, регенерат практически полностью был представлен костной тканью, которая могла обеспечивать опорную функцию. Скорость репаративных процессов во всех группах снизилась, на первый план выступали процессы минерализации и ремоделирования костной ткани в соответствии с функциональной нагрузкой костного органа.Thus, on the 60th day of the experiment, restoration of the bone structure was noted, the regenerate was almost completely represented by bone tissue, which could provide support function. The rate of reparative processes in all groups decreased, the processes of mineralization and remodeling of bone tissue in accordance with the functional load of the bone organ came to the fore.

Через 2 месяца от начала эксперимента в опытной группе скорость репаративных процессов оставалась выше, чем в контрольной группе. В контрольной группе у некоторых животных по-прежнему наблюдали участки рыхлой волокнистой соединительной ткани (4,6±1,1%). Процессы ремоделирования костного регенерата в опытной группе протекали заметно быстрее, доля компактной костной ткани в этой группе составляла 57,3±7,9% против 31,5±4,6% в контрольной группе (р<0,0001). В контрольной группе межтрабекулярные пространства были заполнены костным мозгом, в опытной группе межтрабекулярных пространств оставалось уже существенно меньше, и они были представлены в виде узких каналов с проходящими в них кровеносными сосудами.After 2 months from the start of the experiment in the experimental group, the rate of reparative processes remained higher than in the control group. In the control group, some animals still observed areas of loose fibrous connective tissue (4.6 ± 1.1%). The bone regenerate remodeling processes in the experimental group proceeded noticeably faster, the share of compact bone tissue in this group was 57.3 ± 7.9% versus 31.5 ± 4.6% in the control group (p <0.0001). In the control group, the intertrabular spaces were filled with bone marrow; in the experimental group, the intertrabular spaces were already significantly smaller, and they were presented in the form of narrow channels with blood vessels passing through them.

Выводыfindings

1. Трансплантация в область дефекта костной ткани матрицы-носителя на основе пенокерамики системы оксидов циркония и алюминия не вызывает патологических изменений окружающих тканей и не вызывает изменений общего состояния крыс.1. Transplantation into the bone defect region of the matrix carrier based on the ceramic foam system of zirconium and aluminum oxides does not cause pathological changes in the surrounding tissues and does not cause changes in the general condition of rats.

2. Трансплантированная матрица-носитель на основе пенокерамики системы оксидов циркония и алюминия эффективно приживается в области дефекта и интегрируется с окружающими костными тканями. Между трансплантатом и материнской костной тканью образуется полноценная костная ткань.2. The transplanted carrier matrix based on the ceramic foam system of zirconium and aluminum oxides effectively engraft in the defect area and integrates with the surrounding bone tissues. Between the transplant and the maternal bone tissue, full bone tissue is formed.

3. Трансплантация матрицы-носителя на основе пенокерамики системы оксидов циркония и алюминия с предкультивированными МСК костного мозга вызывает ускорение репаративных процессов и более эффективную остеоинтеграцию.3. Transplantation of a carrier matrix based on ceramic foam system of zirconium and aluminum oxides with pre-cultured bone marrow MSCs accelerates reparative processes and more effective osseointegration.

4. Полученные результаты служат экспериментальным обоснованием для применения аллогенных трансплантаций пренатальных мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток и хондробластов при лечении обширных дефектов костной ткани в клинической практике.4. The results obtained provide an experimental justification for the use of allogeneic transplantations of prenatal multipotent mesenchymal stromal cells and chondroblasts in the treatment of extensive bone defects in clinical practice.

Таким образом, предложенные для создания ТИК ПК-матрицы системы оксид циркония - оксид алюминия являются не токсичными для окружающих тканей, т.к. не обладают цитотоксическим эффектом. Благодаря своей структуре носители характеризуются высокой капиллярностью и адгезивностью, что обеспечивает эффективность их заселения МСК. Высокая пролиферативная активность позволяет за короткий срок получить носитель, плотно заселенный жизнеспособными, функционально активными клетками. При этом все эти характеристики сохраняются и у клеток, культивируемых на глубине до 900 мкм от поверхности носителя без создания дополнительной диффузии среды. Достаточная механическая прочность носителей и возможность моделирования необходимой формы определяет их применение для восстановления костных дефектов.Thus, the zirconium oxide – alumina systems proposed for the creation of a TEC PC matrix are not toxic to surrounding tissues, because do not have a cytotoxic effect. Due to their structure, carriers are characterized by high capillarity and adhesiveness, which ensures the efficiency of their colonization of MSCs. High proliferative activity allows for a short time to obtain a carrier densely populated by viable, functionally active cells. Moreover, all these characteristics are preserved in cells cultured at a depth of 900 μm from the surface of the carrier without creating additional diffusion of the medium. Sufficient mechanical strength of the carriers and the ability to simulate the necessary shape determines their application for the restoration of bone defects.

Использованная литератураReferences

Figure 00000001
Figure 00000001

Claims (5)

1. Биотрансплантат на основе высокопористого керамического материала системы оксид циркония - оксид алюминия и мультипотентных стромальных клеток костного мозга человека для восстановления протяженных дефектов костной ткани, характеризующийся тем, что содержит аутологичные или донорские мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) из костного мозга и носитель, созданный на основе высокопористого керамического материала системы оксид циркония - оксид алюминия по технологии дублирования пенополиуретановой основы, при этом носитель плотно засевают ММСК, культивированными от 1 до 3 пассажей, при этом на одном носителе иммобилизовано от 200 до 500 тысяч клеток, витальность которых составляет не менее 90%, а функциональная направленность подтверждается способностью к направленной дифференцировке в мезодермальные линии и демонстрируется экспрессия стромальных маркеров CD90 и CD 105 у 60-90% клеток и отсутствие экспрессии маркера CD34.1. A biograft based on a highly porous ceramic material of the zirconium oxide-alumina system and multipotent stromal cells of the human bone marrow for the restoration of extended bone defects, characterized in that it contains autologous or donor multipotent mesenchymal stromal cells (MMSCs) from the bone marrow and a carrier created by the bone marrow based on the highly porous ceramic material of the zirconium oxide-alumina system using the technology of duplication of a polyurethane foam base, at m the carrier is densely seeded with MMSCs cultivated from 1 to 3 passages, while from one carrier from 200 to 500 thousand cells are immobilized, the vitality of which is at least 90%, and the functional orientation is confirmed by the ability to directed differentiation into mesoderm lines and expression of stromal markers is demonstrated CD90 and CD 105 in 60-90% of cells and lack of expression of the marker CD34. 2. Биотрансплантат на основе пенокерамических носителей системы оксид циркония - оксид алюминия и мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток костного мозга человека для восстановления протяженных дефектов костной ткани по п.1, характеризующийся тем, что в качестве носителя используют образцы из биокерамики в виде трехмерных блоков размером 0,5×0,5×0,2 см с диаметром пор от 50 до 100 нм и РР1=60 (количество отверстий на линейный дюйм), при этом проводят термообработку порошков системы оксид алюминия - оксид циркония в температурном интервале (100-1000)°С, что приводит к уменьшению удельной поверхности порошков со (180-230) до (32-50) м2/г и формированию кристаллической структуры порошков с появлением альфа и следов гамма фазы оксида алюминия и тетрагональной и моноклинной фазы оксида циркония, и, таким образом, сформированный из порошков по предложенной технологии пористый каркас имеет однородное распределение пор по размерам, округлую форму перемычек.2. A biograft based on foam ceramic carriers of the zirconium oxide-alumina system and multipotent mesenchymal stromal cells of the human bone marrow for the restoration of extended bone defects according to claim 1, characterized in that bioceramic samples in the form of three-dimensional blocks of size 0 are used as a carrier 5 × 0.5 × 0.2 cm with a pore diameter of 50 to 100 nm and PP1 = 60 (the number of holes per linear inch), and the powders of the alumina – zirconia system are heat treated in the temperature range le (100-1000) ° C, which leads to a decrease in the specific surface of the powders from (180-230) to (32-50) m 2 / g and the formation of the crystalline structure of the powders with the appearance of alpha and traces of the gamma phase of aluminum oxide and tetragonal and monoclinic phases of zirconium oxide, and thus, the porous skeleton formed from powders according to the proposed technology has a uniform pore size distribution, rounded shape of jumpers. 3. Биотрансплантат на основе пенокерамических носителей системы оксид циркония - оксид алюминия и мультипотентных стромальных клеток костного мозга человека для восстановления протяженных дефектов костной ткани по п.1, характеризующийся тем, что источником МСК является взвесь костного мозга, полученная путем эксфузии из заднего гребня подвздошной кости доноров.3. A biograft based on ceramic foam carriers of the zirconium oxide-alumina system and multipotent stromal cells of the human bone marrow for the restoration of extended bone defects according to claim 1, characterized in that the source of MSCs is bone marrow suspension obtained by exfusion from the posterior iliac crest donors. 4. Биотрансплантат на основе пенокерамических носителей системы оксид циркония - оксид алюминия и мультипотентных стромальных клеток костного мозга человека для восстановления протяженных дефектов костной ткани по п.1, характеризующийся тем, что представляет собой носитель, плотно заселенный МСК, культивированными от 1 до 3 пассажей, в глубине и по периферии.4. A biograft based on ceramic foam carriers of the zirconium oxide-alumina system and multipotent stromal cells of human bone marrow for the restoration of extended bone defects according to claim 1, characterized in that it is a carrier densely populated by MSCs cultured from 1 to 3 passages, in depth and on the periphery. 5. Способ получения биотрансплантата на основе пенокерамических носителей системы оксид циркония - оксид алюминия и мультипотентных стромальных клеток костного мозга человека для восстановления протяженных дефектов костной ткани по п.1, характеризующийся тем, что полученный аспират костного мозга наслаивают на разделяющий градиент раствора фикола (плотность 1,077 г/мл) и центрифугируют при 1300 об/мин в течение 20 мин при +4°С, полученное таким образом интерфазное кольцо с ядросодержащими клетками отбирают и центрифугируют при 1100 об/мин в течение 10 мин при +4°С, при этом супернатант удаляют, а клеточный осадок суспендируют в культуральной среде (DMEM/F12 1:1, с добавлением 10% эмбриональной телячьей сыворотки или аутологичной сыворотки, 2 mM L-глутамина и 0,5 мг/мл амикацина, суспензию клеток рассевают на пластиковые чашки Петри в концентрации 104 клеток на 1 мл и инкубируют при стандартных условиях (температуре 37°С, в условиях насыщающей влажности в атмосфере с 5% СO2), затем неприкрепленные клетки удаляют, а прикрепившиеся клетки промывают культуральной средой и инкубируют до достижения 75-85% конфлюентности, в дальнейшем смену среды проводят каждые 2-3 суток в зависимости от ростовых характеристик культуры, при этом культивирование проводят до 3-4 пассажа до получения необходимого количества клеточной массы, при этом пенокерамические носители подвергают стерилизации методом γ-облучения в дозе 2,5 Мрад, затем носители промывают физиологическим раствором и высушивают в потоке воздуха, подготовленные образцы носителя вместе с полученной клеточной суспензией с концентрацией клеток от 1 до 2 млн в 1 мл среды наносят на образцы из расчета 100 мкл суспензии на 100 мг образца, при этом инкубируют в течение 60 мин при стандартных условиях для инициации прикрепления клеток к стенкам поровых каналов и добавляют культуральную среду, в течение суток образцы перекладывают в новые плашки, в последующем смену культуральной среды проводят каждые два дня. 5. A method of producing a biograft based on foam ceramic carriers of the zirconium oxide-alumina system and multipotent stromal cells of the human bone marrow for the restoration of extended bone defects according to claim 1, characterized in that the obtained bone marrow aspirate is layered on a ficol solution separating gradient (density 1.077 g / ml) and centrifuged at 1300 rpm for 20 min at + 4 ° С, the thus obtained interphase ring with nucleated cells was selected and centrifuged at 1100 rpm for 10 min at + 4 ° С, while the supernatant is removed, and the cell pellet is suspended in the culture medium (DMEM / F12 1: 1, with the addition of 10% fetal calf serum or autologous serum, 2 mM L-glutamine and 0.5 mg / ml amikacin, the cell suspension is plated on plastic Petri dishes at a concentration of 10 4 cells per 1 ml and incubated under standard conditions (temperature 37 ° C, in conditions of saturation humidity in the atmosphere with 5% CO 2 ), then the loose cells are removed, and the attached cells cells are washed with culture medium and incubated until reaching 75-8 5% confluence, in the future, the medium is changed every 2-3 days depending on the growth characteristics of the culture, while cultivation is carried out up to 3-4 passages until the required amount of cell mass is obtained, while the ceramic foam carriers are sterilized by γ-radiation at a dose of 2 , 5 Mrad, then the carriers are washed with physiological saline and dried in a stream of air, prepared carrier samples together with the obtained cell suspension with a cell concentration of 1 to 2 million in 1 ml of medium are applied to samples from p counts of 100 μl of suspension per 100 mg of the sample, incubated for 60 min under standard conditions to initiate the attachment of cells to the walls of the pore channels and add culture medium, the samples are transferred to new plates during the day, and then the culture medium is changed every two days .
RU2008140597/15A 2008-10-14 2008-10-14 Biotransplant based on foamed ceramic carriers of zirconium oxide and aluminium oxide system and multipotent stromal cells of human bone marrow for restoring extended bone tissue defects and method for making thereof RU2386453C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008140597/15A RU2386453C1 (en) 2008-10-14 2008-10-14 Biotransplant based on foamed ceramic carriers of zirconium oxide and aluminium oxide system and multipotent stromal cells of human bone marrow for restoring extended bone tissue defects and method for making thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008140597/15A RU2386453C1 (en) 2008-10-14 2008-10-14 Biotransplant based on foamed ceramic carriers of zirconium oxide and aluminium oxide system and multipotent stromal cells of human bone marrow for restoring extended bone tissue defects and method for making thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2386453C1 true RU2386453C1 (en) 2010-04-20

Family

ID=46275094

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008140597/15A RU2386453C1 (en) 2008-10-14 2008-10-14 Biotransplant based on foamed ceramic carriers of zirconium oxide and aluminium oxide system and multipotent stromal cells of human bone marrow for restoring extended bone tissue defects and method for making thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2386453C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2526813C1 (en) * 2013-04-16 2014-08-27 Государственное бюджетное учреждение здравоохранения города Москвы Научно-исследовательский институт скорой помощи имени Н.В. Склифосовского Департамента здравоохранения г. Москвы Combined graft of dermal matrix with mesenchymal multipotent stromal cells, method for preparing it and method for wound healing using it
RU2530622C2 (en) * 2012-03-01 2014-10-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Biotransplant for recovery of bone tissue volume in case of degenerative diseases and traumatic injuries of bones and method of obtaining thereof
RU2542496C1 (en) * 2013-08-19 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "ННИИТО им. Я.Л. Цивьяна" Минздрава России) Composite ceramic bone grafts made of ceramic material of zirconium oxide - aluminium oxide system
RU2580754C1 (en) * 2015-02-25 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "ННИИТО им. Я.Л. Цивьяна" Минздрава России) Method for recovery of bone tissue defect

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Kim H.W. et.al. "Bone formation on the apatite-coated zirconia porous scaffolds within a rabbit calvarial defect.", J Biomater Appl. 2008 May; 22(6):485-504. Epub 2007 May 10, (журнал), [он-лайн] [найдено 18.05.2009]. Найдено из базы данных Entrez PubMed. *
Деев Р.В. Анализ рынка клеточных препаратов для коррекции патологии скелетных тканей. - Клеточная трансплантология и тканевая инженерия, 2006, 2(4), с.78-83. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2530622C2 (en) * 2012-03-01 2014-10-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Biotransplant for recovery of bone tissue volume in case of degenerative diseases and traumatic injuries of bones and method of obtaining thereof
RU2526813C1 (en) * 2013-04-16 2014-08-27 Государственное бюджетное учреждение здравоохранения города Москвы Научно-исследовательский институт скорой помощи имени Н.В. Склифосовского Департамента здравоохранения г. Москвы Combined graft of dermal matrix with mesenchymal multipotent stromal cells, method for preparing it and method for wound healing using it
RU2542496C1 (en) * 2013-08-19 2015-02-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "ННИИТО им. Я.Л. Цивьяна" Минздрава России) Composite ceramic bone grafts made of ceramic material of zirconium oxide - aluminium oxide system
RU2580754C1 (en) * 2015-02-25 2016-04-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Новосибирский научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "ННИИТО им. Я.Л. Цивьяна" Минздрава России) Method for recovery of bone tissue defect

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10463770B2 (en) Bone tissue engineering by ex vivo stem cells ongrowth into three-dimensional trabecular metal
Lyons et al. The healing of bony defects by cell-free collagen-based scaffolds compared to stem cell-seeded tissue engineered constructs
Vats et al. Scaffolds and biomaterials for tissue engineering: a review of clinical applications
DeBruijn et al. Bone induction by implants coated with cultured osteogenic bone marrow cells
KR100195574B1 (en) Biocompatible preforated membranes and processes for their preparation
EP2274023B1 (en) Bone-like prosthetic implants
US20070083268A1 (en) Bioabsorbable plug implants and method for bone tissue regeneration
CN111511900A (en) Stem cells and devices for bone regeneration
Ling et al. The effect of calcium phosphate composite scaffolds on the osteogenic differentiation of rabbit dental pulp stem cells
Wang et al. Hybrid composites of mesenchymal stem cell sheets, hydroxyapatite, and platelet‑rich fibrin granules for bone regeneration in a rabbit calvarial critical‑size defect model
Semyari et al. Evaluating the bone regeneration in calvarial defect using osteoblasts differentiated from adipose-derived mesenchymal stem cells on three different scaffolds: an animal study
Castro et al. Bone remodeling, biomaterials and technological applications: revisiting basic concepts
Karadas et al. Collagen scaffolds with in situ‐grown calcium phosphate for osteogenic differentiation of Wharton's jelly and menstrual blood stem cells
Yang et al. 3D bioprinted integrated osteochondral scaffold-mediated repair of articular cartilage defects in the rabbit knee
Cordonnier et al. Osteoblastic differentiation and potent osteogenicity of three‐dimensional hBMSC‐BCP particle constructs
RU2386453C1 (en) Biotransplant based on foamed ceramic carriers of zirconium oxide and aluminium oxide system and multipotent stromal cells of human bone marrow for restoring extended bone tissue defects and method for making thereof
Pereira-Junior et al. In vitro evaluation of three different biomaterials as scaffolds for canine mesenchymal stem cells
JP4923235B2 (en) Bone-cartilage tissue regeneration implant
Tudor et al. Bone regeneration in osseous defects—application of particulated human and bovine materials
Tsuchiya et al. Custom-shaping system for bone regeneration by seeding marrow stromal cells onto a web-like biodegradable hybrid sheet
Bajuri et al. Tissue-engineered hydroxyapatite bone scaffold impregnated with osteoprogenitor cells promotes bone regeneration in sheep model
Umeyama et al. Optimization of culture duration of bone marrow cells before transplantation with a β-tricalcium phosphate/recombinant collagen peptide hybrid scaffold
Nuntanaranont et al. Effect of expanded bone marrow-derived osteoprogenitor cells seeded into polycaprolactone/tricalcium phosphate scaffolds in new bone regeneration of rabbit mandibular defects
Pathak et al. Bone Tissue Engineering: Latest trends and future perspectives
RU2818176C1 (en) Method for producing tissue-engineered periosteum from cell spheroids for repairing bone defects in patients

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20141015