WO2021086222A1 - Method for producing cell spheroids for repairing cartilage - Google Patents
Method for producing cell spheroids for repairing cartilage Download PDFInfo
- Publication number
- WO2021086222A1 WO2021086222A1 PCT/RU2019/000780 RU2019000780W WO2021086222A1 WO 2021086222 A1 WO2021086222 A1 WO 2021086222A1 RU 2019000780 W RU2019000780 W RU 2019000780W WO 2021086222 A1 WO2021086222 A1 WO 2021086222A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- cartilage
- cells
- spheroids
- subject
- perichondrium
- Prior art date
Links
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/02—Prostheses implantable into the body
- A61F2/30—Joints
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
- C12N5/00—Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor
Definitions
- the invention relates to medicine, namely to tissue engineering, regenerative medicine, traumatology and orthopedics.
- the integrity of the articular cartilage is a prerequisite for the normal functioning of the joint.
- the ability of the cartilage (covering the articular surface of the bone) to fully self-heal is limited, since it is avascular and aneural tissue depleted of its own cambial cells (lacking perichondrium). Due to these structural features, circulating progenitor cells present in blood and bone marrow do not penetrate the damaged area in sufficient quantities to facilitate the reparative process. It is quite reasonable to believe that an effective way to restore the integrity of the cartilage has not yet been developed.
- Cartilage and osteochondral defects currently remain an open problem in tissue engineering of the musculoskeletal system. Therefore, in case of significant damage to the articular cartilage, it is necessary to remove the patient's joint entirely and replace it with an endoprosthesis.
- matrix-associated chondrocyte implantation There are numerous methods of filling cartilage defects with tissue-engineered constructs made using scaffold technology - co-cultivation of cells with carrier matrices, currently called matrix-associated chondrocyte implantation (MACI).
- matrix carriers a synthetic matrix based on hyaluronic acid benzyl ester (Hyalograft C, HYAFF 11) [1]
- a synthetic matrix based on polyglactin and poly-p-dioxanone Bioseed C
- porcine collagen membrane ChondroGiude
- the weak link of such technologies is the lack of natural mechanisms of matrix adhesion to recipient surfaces (known attachment methods are unreliable).
- the technology requires the destruction of the healthy part of the articular surface in order to harvest cartilage for cell isolation in the laboratory. Therefore, additional arthroscopic surgery and its anesthetic accompaniment are necessary.
- Cartilaginous spheroids have a unique ability to tissue fusion, are capable of fusion with each other to form larger spheroids, as well as spreading on the surface of the adhesive plastic and the recipient bed [5].
- This method includes the production of cell spheroids from cultured chondrocytes of the articular cartilage in 96-well plates made of non-adhesive plastic.An additional technological stage of work with the cell material is required - the mutual fusion of spheroids in a 24-well plate to increase the size of the spheroids, which indicates the limited potential of spheroids' self-growth obtained in this way.
- the resulting spheroids are used for partial replacement (filling in a density of 3 to 70 spheroids per cm 2 ) defects in the articular surfaces of bones in order to form new cartilage in the damaged area. lead to gi leucorrhoea of cells, especially in the center of the spheroids.
- the cartilage tissue of the joint contains the only population of differentiated cells - chondrocytes, the proliferative potential of which is limited.
- Spheroids were formed from cultured chondroprogenitor cells of the nasal septum in chondrogenic differentiation medium (DMEM, human albumin 1.25 ⁇ g / ml, ascorbic acid 50 ⁇ g / ml, insulin 6.25 ⁇ g / ml, penicillin 100 U / ml, streptomycin 100 ⁇ g / ml , insulin-transferrin-selenite (single concentration)).
- DMEM human albumin 1.25 ⁇ g / ml
- ascorbic acid 50 ⁇ g / ml
- insulin 6.25 ⁇ g / ml insulin 6.25 ⁇ g / ml
- penicillin 100 U / ml streptomycin 100 ⁇ g / ml
- insulin-transferrin-selenite insulin-transferrin-selenite (single concentration)
- the spheroids obtained by this method are characterized by the presence of a fibrillar extracellular matrix - collagen type 2. Also, large diameter spheroids (obtained in an 81-well plate) showed a tendency to grow (increase in diameter in relation to the original).
- a significant disadvantage of this method is the limited amount of starting material taken for the isolation of cells, which can be obtained from the cartilage of the nasal septum without creating a noticeable cosmetic defect, which leads to the need for long-term cultivation of cells to accumulate the required cell biomass, while in the process of formation of spheroids, gradual death occurs cells, spheroids decrease in size.
- the object of the present invention is to develop a new method of obtaining a transplant based on cell spheroids for the effective restoration of cartilage, in particular, articular cartilage.
- the technical result of this invention is to obtain a transplant based on cellular spheroids with a pronounced regenerative potential for effective restoration of cartilage, in particular, articular cartilage, while obtaining spheroids is not accompanied by cell death in agarose wells.
- the method according to the invention eliminates the need to use differentiating chondrogenic media that slow down the growth of cell biomass.
- the present invention provides a reduction in trauma to the subject during the collection of material for cartilage restoration, while additional hospitalization, anesthesia is not required, and surgical trauma to the intact part of the articular cartilage is excluded.
- the perichondrium of the subject's rib cartilage is harvested on an outpatient basis under local anesthesia.
- the method of the invention makes it possible to obtain spheroids from the perichondrium of the costal cartilage faster and with greater volume compared to spheroids based on cartilage cells.
- the use of a graft based on larger spheroids from the perichondrium facilitates their transplantation, and the restoration of cartilage is faster and more efficient. Reparative regeneration of cartilage occurs from the cambial (progenitor) cells of the perichondrium.
- the implementation of the method of obtaining a transplant based on cellular spheroids to restore the cartilage of the subject based on the cells of the perichondrium of the subject's own costal cartilage including the following steps: a) the isolation of cells from the perichondrium of the subject's own costal cartilage; b) culturing the cells isolated at stage a) in an adhesive culture without chondrogenic differentiation medium; c) transfer of cells obtained in step b) into agarose plates and their subsequent cultivation with the formation of cell spheroids.
- the subject is a human.
- the cartilage is articular cartilage, cartilage of the nose, larynx, trachea and bronchi, auricle, or intervertebral disc cartilage.
- the culturing of the cells in step b) is carried out for 20-30 days.
- the transfer of cells in step c) is carried out at the rate of 20,000 cells per well of an agarose plate.
- the fusion of cells into cell spheroids is carried out in agarose wells (wells of an agarose plate), where they stay for up to 21 days.
- cell fusion into cell spheroids occurs after 7-15 days.
- the size of the spheroids is 250-700 ⁇ m.
- the present invention also relates to a graft for repairing cartilage of a subject, comprising cell spheroids based on cells of the perichondrium of the subject's own costal cartilage and obtained by the method of the invention.
- the cartilage is articular cartilage, cartilage of the nose, larynx, trachea and bronchi, auricle, or intervertebral disc cartilage.
- the subject is a human.
- the size of the spheroids is 250-700 ⁇ m.
- Figure 1 Dynamics of changes in the size of spheroids from the articular cartilage and perichondrium of the rib during their cultivation after 1, 7 and 14 days.
- Figure 2 Dynamics of changes in the size of spheroids from the articular cartilage and perichondrium of the rib during their cultivation after 1, 7 and 14 days: a) articular cartilage, concentration of 10,000 cells per spheroid; b) articular cartilage, concentration of 20,000 cells per spheroid; c) perichondrium, concentration of 10,000 cells per spheroid; d) perichondrium, concentration of 20,000 cells per spheroid.
- Figure 3 Histological structure of spheroids from articular cartilage and perichondrium of the rib during their cultivation after 1, 7 and 14 days.
- Figure 4 The process of covering the defect zone of the articular surface of the subject with the spheroids obtained by the method according to the invention.
- tissue refers to a system of cells and non-cellular structures that have a common structure, in some cases a common origin, and specialized in performing certain functions.
- graft refers to spheroids
- transplant is the transfer of these spheroids into the body of a subject, usually to repair a cartilage defect.
- cartilage defect refers to cartilage tissue if it is absent, reduced in quantity, or otherwise damaged.
- a cartilage defect can be, among other things, the result of a disease, treatment of a disease or injury.
- chondrogenic environment means the environment necessary for the differentiation of cells in the chondrogenic direction.
- spheroids refers to tightly packed ball-shaped cell aggregates formed by three-dimensional cultivation. Their important property is the ability for mutual adhesion and subsequent tissue fusion, as well as for adhesion to the elements of the extracellular matrix.
- the perichondrium is used as a source of chondroprogenator cells for the production of spheroids, which is a cambial zone for cartilage, supplying progenitor cells for its renewal and reparative regeneration, and, therefore, containing a greater number of cambial cells.
- costal and articular cartilage belongs to hyaline cartilage tissue.
- Isolation of chondroprogenic cells from the perichondrium occurs by mechanical grinding it into small pieces, followed by their enzymatic dissociation.
- DMEM fetal bovine serum
- penicillin 100 U / ml penicillin 100 U / ml
- streptomycin 100 ⁇ g / ml at 100% humidity, 37 ° C, 5% CO2 (this environment and conditions are used at all stages of subsequent cultivation).
- Subculturing of a monolayer culture of chondroprogenic cells is carried out until the third passage with a change of medium every 2-3 days.
- cells are removed from plastic vials with trypsin / EDTA.
- the resulting cell suspension is washed from trypsin / EDTA, including using DMEM medium with 10% serum, followed by centrifugation (10 minutes at 200g) and transferred to 81-well agarose plates with a well diameter of 800 ⁇ m at a concentration of up to 1.6 million cells onto the plate, where spheroids begin to form from the cultured cells in the wells.
- DMEM medium with 10% serum followed by centrifugation (10 minutes at 200g) and transferred to 81-well agarose plates with a well diameter of 800 ⁇ m at a concentration of up to 1.6 million cells onto the plate, where spheroids begin to form from the cultured cells in the wells.
- spheroids occur in a scaffold-free 3-Dimensional Cell Culture Utilizing Micro-Molded Non-Adhesive Hydrogels.
- agarose plates To obtain agarose plates, a 3D Petri Dish silicone form (Microtissues®, USA) is used in accordance with the manufacturer's protocol: the agarose solution is distributed into silicone molds, resulting in a microformed (micromodulated) non-adhesive agarose hydrogel - agarose (micro) plate (a form formed from an agarose hydrogel, having wells of the same size, in a particular embodiment, 81 wells with a diameter of 800 ⁇ m).
- micro microformed (micromodulated) non-adhesive agarose hydrogel - agarose
- Spheroids stay in the wells of an agarose plate for up to 21 days with a change of medium every 2-3 days.
- spheroids For transplantation of spheroids, they are collected from plates and transferred to a test tube, where they settle to the bottom without additional centrifugation. Thereafter, the spheroids are placed in a syringe and transplanted to the subject into the defect area through a needle or applicator with a diameter of at least 1 mm 2 . Transplantation can be performed arthroscopically.
- the perichondrium was taken from the costal cartilage of sheep. To separate the perichondrium from the underlying cartilage, an isotonic solution was injected under it. Fragments of articular cartilage were taken from the femoral condyles as a control in the same animals.
- Isolation of cells from the perichondrium of the costal and articular cartilage was performed by preliminary mechanical grinding followed by enzymatic dissociation of tissue pieces.
- the isolated cells were seeded in plastic flasks with a culture medium of the following composition: DMEM 450 ml, L-glutamine 292 mg, fetal bovine serum 50 ml, penicillin 100 U / ml, streptomycin 100 ⁇ g / ml, at 100% humidity, temperature 37 ° C, 5% CO2 (this medium and conditions are used at all stages of subsequent cultivation).
- DMEM 450 ml L-glutamine 292 mg
- fetal bovine serum 50 ml penicillin 100 U / ml
- streptomycin 100 ⁇ g / ml at 100% humidity
- temperature 37 ° C 5% CO2
- cells were removed from plastic (plastic vials) with trypsin / EDTA.
- the resulting cell suspension was washed with otrypsin / EDTA, including with DMEM medium with 10% serum, followed by centrifugation (10 minutes at 200g), then transferred into 81-well agarose plates with a well diameter of 800 ⁇ m at a concentration of up to 1.6 million cells onto the tablet, after which spheroids began to form.
- Cultivation of spheroids was carried out for 14 days with a change of medium every 2-3 days.
- spheroids from the perichondrium doubled in size during culture, and the spheroids from the articular cartilage decreased (Fig. 1, Fig. 2).
- spheroids derived from cartilage cells decrease in size within agarose wells over time. This is due to the biological characteristics of cartilage cells, suboptimal cultivation conditions, death of some cells and loss of structural elements. Therefore, the result obtained using perichondrium cells was not absolutely expected for a specialist.
- spheroids when growing (obtaining) spheroids according to the method according to the invention in agarose wells, spheroids are obtained from the perichondrium of the costal cartilage, which increase their biomass in the agarose wells, in contrast to spheroids from articular cartilage.
- the spheroids from the articular cartilage at a cultivation period of 14 days consisted mainly of cells, while the spheroids from the perichondrium according to the present invention already on the 7th day of cultivation contained a fibrous extracellular matrix.
- Fig. 3 shows that an equal initial number of cells produced a different biomass of spheroids: there were more spheroids obtained by the method according to the invention from the perichondrium than spheroids from articular cartilage, respectively, a larger volume of the defect can be filled.
- the production of a fibrous extracellular matrix during 3D culture is evidence of a higher functional activity and cell viability.
- Spheroids from the perichondrium of the costal cartilage (hyaline) obtained according to the present invention were placed in the defects of the articular surface with a diameter of 4 mm, formed on fragments of the condyles of the femur bones of sheep, until they completely covered the defect zone (Fig. 4).
- a control we used spheroids from hyaline cartilage tissue - articular cartilage.
- fragments of sheep femur condyles were cultured in a plastic bottle with the following medium: DMEM 450 ml, L-glutamine 292 mg, fetal bovine serum 50 ml, penicillin 100 U / ml, streptomycin 100 ⁇ g / ml, at 100% humidity , a temperature of 37 ° C, 5% CO2, within 7 days with a change of medium every 3 days.
- the spheroids from the perichondrium merged with each other and interacted with the structures of the defect zone, spreading out on the recipient bed.
- the defect was completely covered with connective tissue from the introduced spheroids.
- the size of the spheroids from the perichondrium is optimal for effective closure of the articular surface defect, and due to plasticity (the ability to merge with each other and spread out on the surface of the defect), tissue fusion of spheroids and engraftment of spheroids occurs quickly.
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Zoology (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
Abstract
The invention relates to the field of medicine and more particularly to tissue engineering, regenerative medicine, trauma surgery and orthopaedics, and consists in developing a new method of producing a graft in the form of cell spheroids from the rib perichondrium of a subject which exhibit pronounced regenerative capacities, in order to repair cartilage and particularly articular cartilage effectively.
Description
Способ производства клеточных сфероидов для восстановления хрящей Method for the production of cell spheroids for cartilage repair
Область техники Technology area
Изобретение относится к области медицины, а именно к тканевой инженерии, регенеративной медицине, травматологии и ортопедии. The invention relates to medicine, namely to tissue engineering, regenerative medicine, traumatology and orthopedics.
Уровень техники State of the art
Целостность суставного хряща - непременное условие нормального функционирования сустава. Способность хряща (покрывающего суставную поверхность кости) к полноценному самовосстановлению ограничена, так как это аваскулярная и аневральная ткань, обедненная собственными камбиальными клетками (лишена надхрящницы). Из-за этих структурных особенностей циркулирующие клетки- предшественники, присутствующие в крови и костном мозге, не проникают в достаточном количестве поврежденную область, чтобы способствовать репаративному процессу. Вполне обоснованно мнение, что до настоящего времени эффективный способ восстановления целостности хряща еще не разработан. The integrity of the articular cartilage is a prerequisite for the normal functioning of the joint. The ability of the cartilage (covering the articular surface of the bone) to fully self-heal is limited, since it is avascular and aneural tissue depleted of its own cambial cells (lacking perichondrium). Due to these structural features, circulating progenitor cells present in blood and bone marrow do not penetrate the damaged area in sufficient quantities to facilitate the reparative process. It is quite reasonable to believe that an effective way to restore the integrity of the cartilage has not yet been developed.
Хрящевые и костно-хрящевые дефекты в настоящее время остаются открытой проблемой тканевой инженерии опорно-двигательной системы. Поэтому при существенном повреждении суставного хряща приходится удалять сустав пациента целиком и заменять его эндопротезом. Cartilage and osteochondral defects currently remain an open problem in tissue engineering of the musculoskeletal system. Therefore, in case of significant damage to the articular cartilage, it is necessary to remove the patient's joint entirely and replace it with an endoprosthesis.
Проблема крайне актуальна, так как повреждение и деградация суставного хряща приводит к остеоартриту (ОА), преимущественно у пожилых людей, и это одна из ведущих причин боли и инвалидности в этой многочисленной возрастной группе населения. The problem is extremely urgent, since damage and degradation of articular cartilage leads to osteoarthritis (OA), mainly in the elderly, and this is one of the leading causes of pain and disability in this large age group of the population.
Известны многочисленные способы заполнения хрящевых дефектов тканеинженерными конструктами, изготовленными с применением скаффолд-технологии - сокультивирования клеток с матрицами-носителями, в настоящее время называемые матрикс ассоциированной имплантацией хондроцитов (matrix-associated chondrocyte implantation - MACI). Предложены разные варианты матриц-носителей (скаффолдов), например, синтетическая матрица на основе бензилового эфира гиалуроновой кислоты (Hyalograft С, HYAFF 11) [1], синтетическая матрица на основе полиглактина и поли-п- диоксанона (Bioseed С) [2], мембрана из свиного коллагена (ChondroGiude) [3]. Существенными особенностями некоторых вариантов этих технологий являются попытки поддержания хондрогенной дифференцировки собственных хондроцитов в процессе культивирования за счет специальных хондрогенных дифференцировочных сред, сдерживающих наращивание клеточной массы, что усложняет наращивание хондроцитов взрослых людей в необходимых количествах. Организму приходится самостоятельно утилизировать каркас матрицы за счет воспалительной реакции на инородное тело, что затрудняет регенерацию хряща.
Недостатки культивирования любых клеток на матрицах (биодеградируемых носителях) общеизвестны. Клетки неравномерно распределены внутри матрицы, это связано с наличием градиентов парциальных давлений кислорода и углекислого газа, а также разной доступности питательных веществ и скорости удаления метаболитов в зависимости от глубины залегания клеток в тканеинженерном конструкте. Слабое звено подобных технологий - отсутствие естественных механизмов адгезии матрицы к реципиентным поверхностям (известные способы крепления ненадежны). Технология требует разрушить здоровую часть суставной поверхности для забора хряща для выделения клеток в лаборатории. Поэтому необходимо дополнительная артроскопическая операция и ее анестезиологическое сопровождение. There are numerous methods of filling cartilage defects with tissue-engineered constructs made using scaffold technology - co-cultivation of cells with carrier matrices, currently called matrix-associated chondrocyte implantation (MACI). Various variants of matrix carriers (scaffolds) have been proposed, for example, a synthetic matrix based on hyaluronic acid benzyl ester (Hyalograft C, HYAFF 11) [1], a synthetic matrix based on polyglactin and poly-p-dioxanone (Bioseed C) [2], porcine collagen membrane (ChondroGiude) [3]. Essential features of some variants of these technologies are attempts to maintain chondrogenic differentiation of own chondrocytes during cultivation due to special chondrogenic differentiation media that restrain the growth of cell mass, which complicates the growth of chondrocytes in adults in the required quantities. The body has to independently dispose of the matrix framework due to the inflammatory reaction to the foreign body, which complicates the regeneration of the cartilage. The disadvantages of culturing any cells on matrices (biodegradable carriers) are well known. The cells are unevenly distributed within the matrix, this is due to the presence of gradients of partial pressures of oxygen and carbon dioxide, as well as different availability of nutrients and the rate of metabolite removal, depending on the depth of the cells in the tissue-engineered construct. The weak link of such technologies is the lack of natural mechanisms of matrix adhesion to recipient surfaces (known attachment methods are unreliable). The technology requires the destruction of the healthy part of the articular surface in order to harvest cartilage for cell isolation in the laboratory. Therefore, additional arthroscopic surgery and its anesthetic accompaniment are necessary.
Известны бесскаффолдные технологии восстановления хрящей. Трехмерное культивирование хондроцитов в отсутствии пригодной для клеточной адгезии подложки приводит к формированию клеточных сфероидов (хондросфер) [4]. Хрящевые сфероиды обладают уникальной способностью к тканевому слиянию, способны к слиянию между собой с образованием более крупных сфероидов, а также к распластыванию на поверхности адгезивного пластика и реципиентного ложа [5]. There are known beskaffold technologies for restoring cartilage. Three-dimensional cultivation of chondrocytes in the absence of a substrate suitable for cell adhesion leads to the formation of cell spheroids (chondrospheres) [4]. Cartilaginous spheroids have a unique ability to tissue fusion, are capable of fusion with each other to form larger spheroids, as well as spreading on the surface of the adhesive plastic and the recipient bed [5].
Известен способ производства трехмерных живых хрящеподобных микротканей in vitro и их применения в качестве трансплантационного материала (US 7.887,843 В2 Method for in vitro production of three-dimentional vital cartilage tissue and use thereof as transplant material (со. don® AG, Teltow, DE). Данный способ включает в себя получение клеточных сфероидов из культивированных хондроцитов суставного хряща в 96-ти луночных планшетах из неадгезивного пластика. Требуется дополнительный технологический этап работы с клеточным материалом - взаимное слияние сфероидов в 24-хлуночном планшете для увеличения размеров сфероидов, что свидетельствует об ограниченном потенциале самостоятельного роста сфероидов, полученных таким путем. Полученные сфероиды используют для частичного замещения (заполнения в плотности от 3 до 70 сфероидов на см2) дефектов суставных поверхностей костей с целью формирования нового хряща в зоне повреждения. Длительное пребывание хондроцитов в ЗО-культуре может приводить к гибели клеток, особенно в центре сфероидов. Хрящевая ткань сустава содержит единственную популяцию дифференцированных клеток - хондроцитов, пролиферативный потенциал которых ограничен. A known method for the production of three-dimensional living cartilage-like micro-tissues in vitro and their use as a transplant material (US 7.887,843 B2 Method for in vitro production of three-dimensional vital cartilage tissue and use thereof as transplant material (co. Don® AG, Teltow, DE This method includes the production of cell spheroids from cultured chondrocytes of the articular cartilage in 96-well plates made of non-adhesive plastic.An additional technological stage of work with the cell material is required - the mutual fusion of spheroids in a 24-well plate to increase the size of the spheroids, which indicates the limited potential of spheroids' self-growth obtained in this way.The resulting spheroids are used for partial replacement (filling in a density of 3 to 70 spheroids per cm 2 ) defects in the articular surfaces of bones in order to form new cartilage in the damaged area. lead to gi leucorrhoea of cells, especially in the center of the spheroids. The cartilage tissue of the joint contains the only population of differentiated cells - chondrocytes, the proliferative potential of which is limited.
Также из уровня техники известен способ производства сфероидов из клеток хряща в агарозных микропланшетах, содержащих 81 лунку диаметром 800 мкм или 256 лунок диаметром 300 мкм [5]. Сфероиды формировали из культивированных хондропрогениторных клеток носовой перегородки в хондрогенной дифференцировочной среде (DMEM, альбумин человеческий 1,25 мкг/мл, аскорбиновая кислота 50 мкг/мл, инсулин 6,25 мкг/мл, пенициллин 100 ед/мл, стрептомицин 100 мкг/мл, инсулин- трансферрин - селенит (однократная концентрация)). Плотность посева составляла 2 млн
клеток на микропланшет. Для сфероидов, полученных данным способом, характерно наличие фибриллярного внеклеточного матрикса - коллагена 2 типа. Также у сфероидов большого диаметра (полученных в 81 -луночном планшете) наблюдалась тенденция к росту (увеличению диаметра по отношению к исходному). Существенным недостатком этого способа является ограниченное количество забираемого для выделения клеток исходного материала, которое можно получить из хряща перегородки носа, не создав заметный косметический дефект, что приводит к необходимости длительного культивирования клеток для накопления нужной биомассы клеток, при этом в процессе формирования сфероидов происходит постепенная гибель клеток, сфероиды уменьшаются в размерах. Also known from the prior art is a method for the production of spheroids from cartilage cells in agarose microplates containing 81 wells with a diameter of 800 μm or 256 wells with a diameter of 300 μm [5]. Spheroids were formed from cultured chondroprogenitor cells of the nasal septum in chondrogenic differentiation medium (DMEM, human albumin 1.25 μg / ml, ascorbic acid 50 μg / ml, insulin 6.25 μg / ml, penicillin 100 U / ml, streptomycin 100 μg / ml , insulin-transferrin-selenite (single concentration)). The seeding density was 2 million cells on a microplate. The spheroids obtained by this method are characterized by the presence of a fibrillar extracellular matrix - collagen type 2. Also, large diameter spheroids (obtained in an 81-well plate) showed a tendency to grow (increase in diameter in relation to the original). A significant disadvantage of this method is the limited amount of starting material taken for the isolation of cells, which can be obtained from the cartilage of the nasal septum without creating a noticeable cosmetic defect, which leads to the need for long-term cultivation of cells to accumulate the required cell biomass, while in the process of formation of spheroids, gradual death occurs cells, spheroids decrease in size.
Таким образом, несмотря на имеющиеся способы восстановления хрящей, все они характеризуются рядом недостатков и ограничений, поэтому сохраняется необходимость в разработке и создании новых способов и подходов к решению указанной проблемы. Thus, despite the existing methods of cartilage restoration, all of them are characterized by a number of disadvantages and limitations, therefore, there remains a need to develop and create new methods and approaches to solving this problem.
Раскрытие изобретения Disclosure of invention
Задача настоящего изобретения состоит в разработке нового способа получения трансплантата на основе клеточных сфероидов для эффективного восстановления хряща, в частности, суставного хряща. The object of the present invention is to develop a new method of obtaining a transplant based on cell spheroids for the effective restoration of cartilage, in particular, articular cartilage.
Предлагается получение трансплантата в виде клеточных сфероидов для восстановления хряща субъекта на основе клеток надхрящницы собственного реберного хряща субъекта. It is proposed to obtain a transplant in the form of cellular spheroids to restore the cartilage of a subject based on the cells of the perichondrium of the subject's own costal cartilage.
Техническим результатом данного изобретения является получение трансплантата на основе клеточных сфероидов, обладающих выраженным регенеративным потенциалом, для эффективного восстановления хряща, в частности, суставного хряща, при этом получение сфероидов не сопровождается гибелью клеток в агарозных лунках. Кроме того, способ по изобретению исключает необходимость использования дифференцирующих хондрогенных сред, замедляющих наращивание клеточной биомассы. Помимо этого, настоящее изобретение обеспечивает снижение травматизации субъекта в процессе забора материала для восстановления хряща, при этом не требуется дополнительной госпитализации, анестезиологического пособия и исключается операционная травма неповрежденной части суставного хряща. Забор надхрящницы реберного хряща субъекта проводится в амбулаторных условиях под местной анестезией. The technical result of this invention is to obtain a transplant based on cellular spheroids with a pronounced regenerative potential for effective restoration of cartilage, in particular, articular cartilage, while obtaining spheroids is not accompanied by cell death in agarose wells. In addition, the method according to the invention eliminates the need to use differentiating chondrogenic media that slow down the growth of cell biomass. In addition, the present invention provides a reduction in trauma to the subject during the collection of material for cartilage restoration, while additional hospitalization, anesthesia is not required, and surgical trauma to the intact part of the articular cartilage is excluded. The perichondrium of the subject's rib cartilage is harvested on an outpatient basis under local anesthesia.
Дополнительно, способ по изобретению позволяет получить сфероиды из надхрящницы реберного хряща быстрее и большего объема по сравнению со сфероидами на основе клеток хряща. Использование трансплантата на основе более крупных сфероидов из надхрящницы облегчает их трансплантацию, а восстановление хряща происходит быстрее и эффективнее. Репаративная регенерация хряща происходит из камбиальных (прогениторных) клетки надхрящницы.
Достижение указанного технического результата обеспечивается при осуществлении способа получения трансплантата на основе клеточных сфероидов для восстановления хряща субъекта на основе клеток надхрящницы собственного реберного хряща субъекта, включающего следующие этапы: а) выделение клеток из надхрящницы собственного реберного хряща субъекта; б) культивирование выделенных на стадии а) клеток в адгезивной культуре без хондрогенной дифференцировочной среды; в) перенесение клеток, полученных на стадии б), в агарозные планшеты и их последующее культивирование с образованием клеточных сфероидов. Additionally, the method of the invention makes it possible to obtain spheroids from the perichondrium of the costal cartilage faster and with greater volume compared to spheroids based on cartilage cells. The use of a graft based on larger spheroids from the perichondrium facilitates their transplantation, and the restoration of cartilage is faster and more efficient. Reparative regeneration of cartilage occurs from the cambial (progenitor) cells of the perichondrium. Achievement of the specified technical result is ensured by the implementation of the method of obtaining a transplant based on cellular spheroids to restore the cartilage of the subject based on the cells of the perichondrium of the subject's own costal cartilage, including the following steps: a) the isolation of cells from the perichondrium of the subject's own costal cartilage; b) culturing the cells isolated at stage a) in an adhesive culture without chondrogenic differentiation medium; c) transfer of cells obtained in step b) into agarose plates and their subsequent cultivation with the formation of cell spheroids.
В частных вариантах воплощения изобретения субъект представляет собой человека. In particular embodiments of the invention, the subject is a human.
В частных вариантах воплощения изобретения хрящ представляет собой суставной хрящ, хрящи носа, гортани, трахеи и бронхов, ушной раковины или хрящ межпозвоночных дисков. In particular embodiments of the invention, the cartilage is articular cartilage, cartilage of the nose, larynx, trachea and bronchi, auricle, or intervertebral disc cartilage.
В частных вариантах воплощения изобретения культивирование клеток на стадии б) осуществляется в течение 20-30 дней. В частных вариантах воплощения изобретения перенесение клеток на стадии в) осуществляется из расчета 20 000 клеток на 1 лунку агарозного планшета. In particular embodiments of the invention, the culturing of the cells in step b) is carried out for 20-30 days. In particular embodiments of the invention, the transfer of cells in step c) is carried out at the rate of 20,000 cells per well of an agarose plate.
В частных вариантах слияние клеток в клеточные сфероиды осуществляется в агарозных лунках (лунках агарозного планшета), где они пребывают до 21 дня. В частных вариантах воплощения изобретения слияние клеток в клеточные сфероиды осуществляется через 7-15 дней. В частных вариантах воплощения изобретения размер сфероидов составляет 250-700 мкм. In particular variants, the fusion of cells into cell spheroids is carried out in agarose wells (wells of an agarose plate), where they stay for up to 21 days. In particular embodiments, cell fusion into cell spheroids occurs after 7-15 days. In particular embodiments of the invention, the size of the spheroids is 250-700 μm.
Настоящее изобретение также относится к трансплантату для восстановления хряща субъекта, включающему клеточные сфероиды на основе клеток надхрящницы собственного реберного хряща субъекта и полученному способом по изобретению. The present invention also relates to a graft for repairing cartilage of a subject, comprising cell spheroids based on cells of the perichondrium of the subject's own costal cartilage and obtained by the method of the invention.
В частных вариантах воплощения изобретения, хрящ представляет собой суставной хрящ, хрящи носа, гортани, трахеи и бронхов, ушной раковины или хрящ межпозвоночных дисков. In particular embodiments of the invention, the cartilage is articular cartilage, cartilage of the nose, larynx, trachea and bronchi, auricle, or intervertebral disc cartilage.
В частных вариантах воплощения изобретения субъект представляет собой человека. In particular embodiments of the invention, the subject is a human.
В частных вариантах воплощения изобретения размер сфероидов составляет 250- 700 мкм. In particular embodiments of the invention, the size of the spheroids is 250-700 μm.
Технический результат настоящего изобретения также достигается за счет применения клеток надхрящницы собственного реберного хряща субъекта для получения трансплантата в виде клеточных сфероидов.
Краткое описание чертежей The technical result of the present invention is also achieved through the use of perichondrium cells of the subject's own costal cartilage to obtain a transplant in the form of cell spheroids. Brief Description of Drawings
Фигура 1. Динамика изменения размера сфероидов из суставного хряща и надхрящницы ребра в процессе их культивирования через 1, 7 и 14 дней. Figure 1. Dynamics of changes in the size of spheroids from the articular cartilage and perichondrium of the rib during their cultivation after 1, 7 and 14 days.
Фигура 2. Динамика изменения размера сфероидов из суставного хряща и надхрящницы ребра в процессе их культивирования через 1, 7 и 14 дней: а) суставной хрящ, концентрация 10000 клеток на сфероид; б) суставной хрящ, концентрация 20000 клеток на сфероид; в) надхрящница, концентрация 10000 клеток на сфероид; г) надхрящница, концентрация 20000 клеток на сфероид. Figure 2. Dynamics of changes in the size of spheroids from the articular cartilage and perichondrium of the rib during their cultivation after 1, 7 and 14 days: a) articular cartilage, concentration of 10,000 cells per spheroid; b) articular cartilage, concentration of 20,000 cells per spheroid; c) perichondrium, concentration of 10,000 cells per spheroid; d) perichondrium, concentration of 20,000 cells per spheroid.
Фигура 3. Гистологическое строение сфероидов из суставного хряща и надхрящницы ребра в процессе их культивирования через 1, 7 и 14 дней. Figure 3. Histological structure of spheroids from articular cartilage and perichondrium of the rib during their cultivation after 1, 7 and 14 days.
Фигура 4. Процесс покрытия сфероидами, полученными способом по изобретению, зоны дефекта суставной поверхности субъекта. Figure 4. The process of covering the defect zone of the articular surface of the subject with the spheroids obtained by the method according to the invention.
Определения и термины Definitions and terms
Различные термины, относящиеся к объектам настоящего изобретения, используются выше и также в описании и в формуле изобретения. Если иное не оговаривается, все технические и научные термины, используемые в данной заявке, имеют то же самое значение, которое понятно для специалистов в данной области. Ссылки на методики, используемые при описании данного изобретения, относятся к хорошо известным методам, включая изменения этих методов и замену их эквивалентными методами, известными специалистам. Various terms related to the objects of the present invention are used above and also in the description and in the claims. Unless otherwise specified, all technical and scientific terms used in this application have the same meaning as understood by those skilled in the art. References to techniques used in describing the present invention refer to well known techniques, including modifying these techniques and replacing them with equivalent techniques known to those skilled in the art.
В описании данного изобретения термины «включает» и «включающий» интерпретируются как означающие «включает, помимо всего прочего». Указанные термины не предназначены для того, чтобы их истолковывали как «состоит только из». In the description of this invention, the terms "includes" and "including" are interpreted as meaning "includes, among other things". These terms are not intended to be construed as “consists only of”.
В описании данного изобретения термин «ткань» относится к системе клеток и неклеточных структур, обладающих общностью строения, в ряде случаев общностью происхождения, и специализированных на выполнении определенных функций. In the description of this invention, the term "tissue" refers to a system of cells and non-cellular structures that have a common structure, in some cases a common origin, and specialized in performing certain functions.
Используемый в данной заявке термин «трансплантат» относится к сфероидам, а термин «трансплантация» - это пересадка указанных сфероидов в организм субъекта, как правило, для устранения дефекта хряща. Used in this application, the term "graft" refers to spheroids, and the term "transplant" is the transfer of these spheroids into the body of a subject, usually to repair a cartilage defect.
Используемый в данном документе термин «дефект хряща» относится к хрящевой ткани, если она отсутствует, уменьшено ее количество или она иначе повреждена. Дефект хрящевой ткани может быть, в том числе, результатом заболевания, лечения заболевания или травмы. As used herein, the term "cartilage defect" refers to cartilage tissue if it is absent, reduced in quantity, or otherwise damaged. A cartilage defect can be, among other things, the result of a disease, treatment of a disease or injury.
Используемый в данной заявке термин «хондрогенная среда» означает среду, необходимую для дифференцировки клеток в хондрогенном направлении.
Используемый в данной заявке термин «сфероиды» относится к плотно упакованным клеточным агрегатам шарообразной формы, сформированных путем трехмерного культивирования. Их важным свойством является способность к взаимной адгезии и последующему тканевому слиянию, а также к адгезии к элементам внеклеточного матрикса. Used in this application, the term "chondrogenic environment" means the environment necessary for the differentiation of cells in the chondrogenic direction. Used in this application, the term "spheroids" refers to tightly packed ball-shaped cell aggregates formed by three-dimensional cultivation. Their important property is the ability for mutual adhesion and subsequent tissue fusion, as well as for adhesion to the elements of the extracellular matrix.
Подробное раскрытие изобретение Detailed disclosure of the invention
Технический результат достигается тем, что в качестве источника хондропрогениторных клеток для производства сфероидов используется надхрящница, являющаяся для хряща камбиальной зоной, поставляющей прогениторные клетки для его обновления и репаративной регенерации, и, следовательно, содержащая большее количество камбиальных клеток. Следует отметить, что реберный и суставной хрящи относятся к гиалиновой хрящевой ткани. При формировании сфероидов из клеток надхрящницы в этом случае не происходит уменьшения их диаметра. The technical result is achieved in that the perichondrium is used as a source of chondroprogenator cells for the production of spheroids, which is a cambial zone for cartilage, supplying progenitor cells for its renewal and reparative regeneration, and, therefore, containing a greater number of cambial cells. It should be noted that costal and articular cartilage belongs to hyaline cartilage tissue. When spheroids are formed from perichondrium cells, in this case, their diameter does not decrease.
Выделение хондропрогенитоных клеток из надхрящницы происходит путем ее механического измельчения на мелкие кусочки с последующей их ферментативной диссоциацией. Isolation of chondroprogenic cells from the perichondrium occurs by mechanical grinding it into small pieces, followed by their enzymatic dissociation.
Для получения первичной культуры выделенные из надхрящницы клетки высевают в пластиковые флаконы с культуральной средой следующего состава: DMEM (или DMEM /F 12) 450 мл, L-глутамин 292 мг, эмбриональная телячья сыворотка 50 мл, пенициллин 100 ед/мл, стрептомицин 100 мкг/мл, при 100% влажности, температуре 37°С, 5% СОг (данная среда и условия используются на всех этапах последующего культивирования). To obtain a primary culture, cells isolated from the perichondrium are seeded in plastic flasks with a culture medium of the following composition: DMEM (or DMEM / F 12) 450 ml, L-glutamine 292 mg, fetal bovine serum 50 ml, penicillin 100 U / ml, streptomycin 100 μg / ml, at 100% humidity, 37 ° C, 5% CO2 (this environment and conditions are used at all stages of subsequent cultivation).
Субкультивирование монослойной культуры хондропрогениторных клеток осуществляют до третьего пассажа со сменой среды каждые 2-3 дня. Subculturing of a monolayer culture of chondroprogenic cells is carried out until the third passage with a change of medium every 2-3 days.
После третьего пассажа клетки снимают с пластиковых флаконов трипсином/ЭДТА. Полученную клеточную взвесь отмывают от трипсина/ЭДТА, в том числе с помощью среды DMEM с 10% сывороткой с последующим центрифугированием (10 минут при 200д) и переносят в 81 -луночные агарозные планшеты с диаметром лунки 800 мкм в концентрации до 1,6 млн клеток на планшет, где в лунках из культивируемых клеток начинают формироваться сфероиды. Таким образом, формирование клеточных сфероидов происходит в безскаффолдной 3-хмерной культуре клеток с использованием микроформованных неадгезивных гидрогелей (Scaffold-free 3-Dimensional Cell Culture Utilizing Micro-Molded Non-Adhesive Hydrogels). After the third passage, cells are removed from plastic vials with trypsin / EDTA. The resulting cell suspension is washed from trypsin / EDTA, including using DMEM medium with 10% serum, followed by centrifugation (10 minutes at 200g) and transferred to 81-well agarose plates with a well diameter of 800 μm at a concentration of up to 1.6 million cells onto the plate, where spheroids begin to form from the cultured cells in the wells. Thus, the formation of cell spheroids occurs in a scaffold-free 3-Dimensional Cell Culture Utilizing Micro-Molded Non-Adhesive Hydrogels.
Для получения агарозных планшетов используют силиконовую форму 3D Petri Dish (Microtissues®, США) в соответствии с протоколом производителя: раствор агарозы распределяют в силиконовые формы, в результате чего получается микроформованный (микромодулированный) неадгезивный агарозный гидрогель - агарозный (микро)планшет
(форма, образованная из агарозного гидрогеля, имеющая лунки одинакового размера, в частном варианте воплощения - 81 лунку диаметром 800 мкм). To obtain agarose plates, a 3D Petri Dish silicone form (Microtissues®, USA) is used in accordance with the manufacturer's protocol: the agarose solution is distributed into silicone molds, resulting in a microformed (micromodulated) non-adhesive agarose hydrogel - agarose (micro) plate (a form formed from an agarose hydrogel, having wells of the same size, in a particular embodiment, 81 wells with a diameter of 800 μm).
Сфероиды пребывают в лунках агарозного планшета на протяжении до 21 суток со сменой среды каждые 2-3 дня. Spheroids stay in the wells of an agarose plate for up to 21 days with a change of medium every 2-3 days.
Для трансплантации сфероидов их собирают из планшетов и переносят в пробирку, где они осаждаются на дно без дополнительного центрифугирования. После этого сфероиды помещают в шприц и трансплантируют субъекту в зону дефекта через иглу или аппликатор, диаметром не менее 1 мм2. Трансплантация может производиться артроскопически. For transplantation of spheroids, they are collected from plates and transferred to a test tube, where they settle to the bottom without additional centrifugation. Thereafter, the spheroids are placed in a syringe and transplanted to the subject into the defect area through a needle or applicator with a diameter of at least 1 mm 2 . Transplantation can be performed arthroscopically.
Осуществление изобретения Implementation of the invention
Пример 1 Example 1
Взятие надхрящницы осуществляли с реберного хряща овец. Для отделения надхрящницы от нижележащего хряща под нее вводили изотонический раствор. В качестве контроля у тех же животных с мыщелков бедренных костей были взяты фрагменты суставного хряща. The perichondrium was taken from the costal cartilage of sheep. To separate the perichondrium from the underlying cartilage, an isotonic solution was injected under it. Fragments of articular cartilage were taken from the femoral condyles as a control in the same animals.
Выделение клеток из надхрящницы реберного и суставного хряща производили путем предварительного механического измельчения с последующей ферментативной диссоциацией кусочков тканей. Isolation of cells from the perichondrium of the costal and articular cartilage was performed by preliminary mechanical grinding followed by enzymatic dissociation of tissue pieces.
Для получения первичной культуры выделенные клетки высевали в пластиковые флаконы с культуральной средой следующего состава: DMEM 450 мл, L-глутамин 292 мг, эмбриональная телячья сыворотка 50 мл, пенициллин 100 ед/мл, стрептомицин 100 мкг/мл, при 100% влажности, температуре 37°С, 5% СОг (данная среда и условия используются на всех этапах последующего культивирования). Субкультивирование монослойной культуры хондропрогениторных клеток осуществляли до третьего пассажа со сменой среды каждые 2-3 дня. To obtain a primary culture, the isolated cells were seeded in plastic flasks with a culture medium of the following composition: DMEM 450 ml, L-glutamine 292 mg, fetal bovine serum 50 ml, penicillin 100 U / ml, streptomycin 100 μg / ml, at 100% humidity, temperature 37 ° C, 5% CO2 (this medium and conditions are used at all stages of subsequent cultivation). The subculturing of a monolayer culture of chondroprogenitor cells was carried out until the third passage with a change of medium every 2-3 days.
После третьего пассажа клетки снимали с пластика (пластиковых флаконов) трипсином/ЭДТА. Полученную клеточную взвесь отмывали оттрипсина/ЭДТА, в том числе средой DMEM с 10% сывороткой и с последующим центрифугированием (10 минут при 200д), затем переносили в 81 -луночные агарозные планшеты с диаметром лунки 800 мкм в концентрации до 1,6 млн. клеток на планшет, после чего начинали формироваться сфероиды. After the third passage, cells were removed from plastic (plastic vials) with trypsin / EDTA. The resulting cell suspension was washed with otrypsin / EDTA, including with DMEM medium with 10% serum, followed by centrifugation (10 minutes at 200g), then transferred into 81-well agarose plates with a well diameter of 800 μm at a concentration of up to 1.6 million cells onto the tablet, after which spheroids began to form.
Культивирование сфероидов производили в течение 14 суток со сменой среды каждые 2-3 дня. Cultivation of spheroids was carried out for 14 days with a change of medium every 2-3 days.
В результате сфероиды из надхрящницы вдвое увеличивались в размере в процессе культивирования, а сфероиды из суставного хряща - уменьшались (Фиг. 1 , Фиг. 2). Обычно сфероиды, полученные из клеток хряща, уменьшаются в размерах внутри агарозных лунок со временем. Это связано с биологическими особенностями клеток хряща,
неоптимальными условиями культивирования, гибелью части клеток и утратой структурных элементов. Поэтому результат, полученный с использованием клеток надхрящницы, не был абсолютно ожидаемым для специалиста. As a result, the spheroids from the perichondrium doubled in size during culture, and the spheroids from the articular cartilage decreased (Fig. 1, Fig. 2). Typically, spheroids derived from cartilage cells decrease in size within agarose wells over time. This is due to the biological characteristics of cartilage cells, suboptimal cultivation conditions, death of some cells and loss of structural elements. Therefore, the result obtained using perichondrium cells was not absolutely expected for a specialist.
Таким образом, при выращивании (получении) сфероидов согласно способу по изобретению в агарозных лунках получают сфероиды из надхрящницы реберного хряща, которые увеличивают свою биомассу в агарозных лунках, в отличие от сфероидов из суставного хряща. Thus, when growing (obtaining) spheroids according to the method according to the invention in agarose wells, spheroids are obtained from the perichondrium of the costal cartilage, which increase their biomass in the agarose wells, in contrast to spheroids from articular cartilage.
Гистологически сфероиды из суставного хряща на сроке культивирования 14 суток состояли главным образом из клеток, в то время как сфероиды из надхрящницы согласно предлагаемому изобретению уже на 7 сутки культивирования содержали волокнистый внеклеточный матрикс. (Фиг. 3). Таким образом, в результате проведенного эксперимента показано, что равное исходное количество клеток произвело разную биомассу сфероидов: сфероидов, полученных способом по изобретению, из надхрящницы, было больше, чем сфероидов из суставного хряща, соответственно больший объем дефекта может быть заполнен. Кроме того, производство волокнистого внеклеточного матрикса при 3D- культивировании - свидетельство более высокой функциональной активности и жизнеспособности клеток. Histologically, the spheroids from the articular cartilage at a cultivation period of 14 days consisted mainly of cells, while the spheroids from the perichondrium according to the present invention already on the 7th day of cultivation contained a fibrous extracellular matrix. (Fig. 3). Thus, as a result of the experiment, it was shown that an equal initial number of cells produced a different biomass of spheroids: there were more spheroids obtained by the method according to the invention from the perichondrium than spheroids from articular cartilage, respectively, a larger volume of the defect can be filled. In addition, the production of a fibrous extracellular matrix during 3D culture is evidence of a higher functional activity and cell viability.
Пример 2 Example 2
В дефекты суставной поверхности диаметром 4 мм, сформированные на фрагментах мыщелков бедренных костей овец, помещали сфероиды из надхрящницы реберного хряща (гиалинового), полученные согласно предлагаемому изобретению, до полного покрытия ими зоны дефекта (Фиг. 4). В качестве контроля использованы сфероиды из гиалиновой хрящевой ткани - суставного хряща. После заполнения сфероидами фрагменты мыщелков бедренных костей овец культивировали в пластиковом флаконе со средой следующего состава: DMEM 450 мл, L-глутамин 292 мг, эмбриональная телячья сыворотка 50 мл, пенициллин 100 ед./мл, стрептомицин 100 мкг/мл, при 100% влажности, температуре 37°С, 5% СОг, в течение 7 дней со сменой среды каждые 3 дня. Spheroids from the perichondrium of the costal cartilage (hyaline) obtained according to the present invention were placed in the defects of the articular surface with a diameter of 4 mm, formed on fragments of the condyles of the femur bones of sheep, until they completely covered the defect zone (Fig. 4). As a control, we used spheroids from hyaline cartilage tissue - articular cartilage. After filling with spheroids, fragments of sheep femur condyles were cultured in a plastic bottle with the following medium: DMEM 450 ml, L-glutamine 292 mg, fetal bovine serum 50 ml, penicillin 100 U / ml, streptomycin 100 μg / ml, at 100% humidity , a temperature of 37 ° C, 5% CO2, within 7 days with a change of medium every 3 days.
Отмечено, что на первые сутки культивирования сфероиды из надхрящницы сливались между собой и взаимодействовали со структурами зоны дефекта, распластываясь на реципиентном ложе. К седьмым суткам культивирования дефект был полностью покрыт соединительной тканью из привнесенных сфероидов. Размер сфероидов из надхрящницы оптимален для эффективного закрытия дефекта суставной поверхности, а за счет пластичности (способности к слиянию между собой и распластыванию на поверхности дефекта) тканевое слияние сфероидов и приживление сфероидов происходит быстро.
Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные эксперименты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения. It was noted that on the first day of cultivation, the spheroids from the perichondrium merged with each other and interacted with the structures of the defect zone, spreading out on the recipient bed. By the seventh day of cultivation, the defect was completely covered with connective tissue from the introduced spheroids. The size of the spheroids from the perichondrium is optimal for effective closure of the articular surface defect, and due to plasticity (the ability to merge with each other and spread out on the surface of the defect), tissue fusion of spheroids and engraftment of spheroids occurs quickly. Although the invention has been described with reference to the disclosed embodiments, it should be apparent to those skilled in the art that the specific experiments described in detail are provided for the purpose of illustrating the present invention only and should not be construed as in any way limiting the scope of the invention. It should be understood that various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.
Список литературы, которая включена в настоящее описание изобретения в качестве ссылок: 1. Marcacci М Zaffagnini S, Коп Е, Visani A, lacono F, Loreti I. Arthroscopic autologous chondrocyte transplantation: technical note. [Журнал] // Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. - 2002 r. - 3 : T. 10. - стр. 154-159. References that are incorporated herein by reference: 1. Marcacci M Zaffagnini S, Cop E, Visani A, lacono F, Loreti I. Arthroscopic autologous chondrocyte transplantation: technical note. [Journal] // Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. - 2002 r. - 3: T. 10. - pp. 154-159.
2. Ossendorf C Kaps C, Kreuz PC, Burmester GR, Sittinger M, Erggelet C. T reatment of posttraumatic and focal osteoarthritic cartilage defects of the knee with autologous polymer- based three-dimensional chondrocyte grafts: 2-year clinical results. [Журнал] // Arthritis Res Ther. - 2007 r.. - 2 : T. 9. 2. Ossendorf C Kaps C, Kreuz PC, Burmester GR, Sittinger M, Erggelet C. T reatment of posttraumatic and focal osteoarthritic cartilage defects of the knee with autologous polymer- based three-dimensional chondrocyte grafts: 2-year clinical results. [Journal] // Arthritis Res Ther. - 2007 r .. - 2: T. 9.
3. Behrens P Ehlers EM, Kochermann KU, Rohwedel J, Russlies M, Plotz W. New therapy procedure for localized cartilage defects. Encouraging results with autologous chondrocyte implantation [Журнал] // MMW Fortschr Med. . - 1999 r. - 45 : T. 141. - стр. 49-51. 4. Anderer U Libera J. In vitro engineering of human autogenous cartilage. [Журнал]3. Behrens P Ehlers EM, Kochermann KU, Rohwedel J, Russlies M, Plotz W. New therapy procedure for localized cartilage defects. Encouraging results with autologous chondrocyte implantation [Journal] // MMW Fortschr Med. ... - 1999 r. - 45: T. 141. - pp. 49-51. 4. Anderer U Libera J. In vitro engineering of human autogenous cartilage. [Magazine]
// J Bone Miner Res. . - 2002 r.. - 8 : T. 17. - стр. 1420-1429. // J Bone Miner Res. ... - 2002 r .. - 8: T. 17. - pp. 1420-1429.
5. Stuart MP Matsui RAM, Santos MFS, Cortes I, Azevedo MS, Silva KR, Beatrici A, Leite PEC, Falagan-Lotsch P, Granjeiro JM, Mironov V, Baptista LS. Successful Low-Cost Scaffold-Free Cartilage Tissue Engineering Using Human Cartilage Progenitor Cell Spheroids Formed by Micromolded Nonadhesive Hydrogel. [Журнал] // Stem Cells Int. . - 2017 r.
5. Stuart MP Matsui RAM, Santos MFS, Cortes I, Azevedo MS, Silva KR, Beatrici A, Leite PEC, Falagan-Lotsch P, Granjeiro JM, Mironov V, Baptista LS. Successful Low-Cost Scaffold-Free Cartilage Tissue Engineering Using Human Cartilage Progenitor Cell Spheroids Formed by Micromolded Nonadhesive Hydrogel. [Journal] // Stem Cells Int. ... - 2017 r.
Claims
1. Способ получения трансплантата в виде клеточных сфероидов для восстановления хряща субъекта на основе клеток надхрящницы собственного реберного хряща субъекта, включающий следующие этапы: а) выделение клеток из надхрящницы собственного реберного хряща субъекта; б) культивирование выделенных на стадии а) клеток в адгезивной культуре без хондрогенной дифференцировочной среды; в) перенесение клеток, полученных на стадии б), в агарозные планшеты и их последующее культивирование с образованием клеточных сфероидов. 1. A method of obtaining a transplant in the form of cellular spheroids for restoring the cartilage of a subject based on the cells of the perichondrium of the subject's own costal cartilage, including the following steps: a) isolation of cells from the perichondrium of the subject's own costal cartilage; b) culturing the cells isolated at stage a) in an adhesive culture without chondrogenic differentiation medium; c) transfer of cells obtained in step b) into agarose plates and their subsequent cultivation with the formation of cell spheroids.
2. Способ по п.1 , в котором субъект представляет собой человека. 2. The method of claim 1, wherein the subject is a human.
3. Способ по п.1, в котором хрящ представляет собой суставной хрящ, хрящ носа, гортани, трахеи, бронхов, ушной раковины или межпозвоночных дисков. 3. The method of claim 1, wherein the cartilage is articular cartilage, nose, larynx, trachea, bronchi, auricle, or intervertebral discs.
4. Способ по п.1, в котором культивирование клеток на стадии б) осуществляется в течение 20-30 дней. 4. The method according to claim 1, wherein the culturing of the cells in step b) is carried out for 20-30 days.
5. Способ по п.1, в котором перенесение клеток на стадии в) осуществляется из расчета 20000 клеток на 1 лунку агарозного планшета. 5. The method according to claim 1, in which the transfer of cells in stage c) is carried out at the rate of 20,000 cells per 1 well of an agarose plate.
6. Способ по п.1, в котором слияние клеток в клеточные сфероиды осуществляется лунках агарозного планшета, где клетки пребывают до 21 дня. 6. The method of claim 1, wherein the fusion of cells into cell spheroids is performed in the wells of an agarose plate, where the cells remain for up to 21 days.
7. Способ по п.6, в котором слияние клеток в клеточные сфероиды осуществляется через 7-15 дней. 7. The method of claim 6, wherein the fusion of the cells into cell spheroids occurs after 7-15 days.
8. Способ по п.1, в котором размер сфероидов составляет 250-700 мкм. 8. The method of claim 1, wherein the spheroids are 250-700 microns in size.
9. Трансплантат для восстановления хряща субъекта, включающий клеточные сфероиды на основе клеток надхрящницы собственного реберного хряща субъекта, полученные способом по п.1. 9. A graft for restoration of the cartilage of a subject, including cell spheroids based on cells of the perichondrium of the subject's own costal cartilage, obtained by the method according to claim 1.
10. Трансплантат по п.1, в котором хрящ представляет собой суставной хрящ, хрящ носа, гортани, трахеи, бронхов, ушной раковины или межпозвоночных дисков. 10. The graft of claim 1, wherein the cartilage is articular cartilage, cartilage of the nose, larynx, trachea, bronchi, auricle, or intervertebral discs.
11. Трансплантат по п.1, в котором субъект представляет собой человека. 11. The graft of claim 1, wherein the subject is a human.
12. Трансплантат по п.1, в котором размер сфероидов составляет 250-700 мкм.
12. The graft of claim 1, wherein the spheroids are 250-700 microns in size.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019134905A RU2731314C1 (en) | 2019-10-30 | 2019-10-30 | Method for production of spheroids for cartilage repair |
RU2019134905 | 2019-10-30 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2021086222A1 true WO2021086222A1 (en) | 2021-05-06 |
Family
ID=72421584
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/RU2019/000780 WO2021086222A1 (en) | 2019-10-30 | 2019-10-31 | Method for producing cell spheroids for repairing cartilage |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2731314C1 (en) |
WO (1) | WO2021086222A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2750021C1 (en) * | 2020-08-26 | 2021-06-21 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Международный Центр Медицинских Исследований И Разработок" (Ооо "Мц Миир") | Method for restoration of diaphysis of long tubular bones using cellular technologies |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002062961A2 (en) * | 2001-02-06 | 2002-08-15 | Massachusetts Institute Of Technology | Peptide scaffold encapsulation of tissue cells and uses thereof |
EP2677027A1 (en) * | 2012-06-21 | 2013-12-25 | Hochschule Lausitz | Method for producing functional fusion tissue from human chondrocytes |
RU2675930C1 (en) * | 2017-07-21 | 2018-12-25 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт общей патологии и патофизиологии" (ФГБНУ "НИИОПП") | Cell culture and biotransplant for bone tissue regeneration on its basis |
-
2019
- 2019-10-30 RU RU2019134905A patent/RU2731314C1/en active
- 2019-10-31 WO PCT/RU2019/000780 patent/WO2021086222A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2002062961A2 (en) * | 2001-02-06 | 2002-08-15 | Massachusetts Institute Of Technology | Peptide scaffold encapsulation of tissue cells and uses thereof |
EP2677027A1 (en) * | 2012-06-21 | 2013-12-25 | Hochschule Lausitz | Method for producing functional fusion tissue from human chondrocytes |
RU2675930C1 (en) * | 2017-07-21 | 2018-12-25 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт общей патологии и патофизиологии" (ФГБНУ "НИИОПП") | Cell culture and biotransplant for bone tissue regeneration on its basis |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2731314C1 (en) | 2020-09-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11357889B2 (en) | Native soft tissue matrix for therapeutic applications | |
Yin et al. | Induction of mesenchymal stem cell chondrogenic differentiation and functional cartilage microtissue formation for in vivo cartilage regeneration by cartilage extracellular matrix-derived particles | |
Nathan et al. | Cell-based therapy in the repair of osteochondral defects: a novel use for adipose tissue | |
Passaretti et al. | Cultured chondrocytes produce injectable tissue-engineered cartilage in hydrogel polymer | |
Bornes et al. | Mesenchymal stem cells in the treatment of traumatic articular cartilage defects: a comprehensive review | |
Wang et al. | Cartilage regeneration in SCID mice using a highly organized three-dimensional alginate scaffold | |
JP3754708B2 (en) | Method for producing cartilage tissue and implant for repairing endochondral and osteochondral defects and arrangement for carrying out the method | |
US5197985A (en) | Method for enhancing the implantation and differentiation of marrow-derived mesenchymal cells | |
US20160106548A1 (en) | Cell-nanofiber composite and cell-nanofiber-hydrogel composite amalgam based engineered intervertebral disc | |
JP4406283B2 (en) | Tissue regeneration substrate, transplant material, and production method thereof | |
EP2187985B1 (en) | Scaffolds | |
JP2006514839A (en) | Cartilage tissue for transplantation | |
JP6434014B2 (en) | Method for producing spherical chondrocyte therapeutic agent | |
US20040030404A1 (en) | Method for cultivating a cartilage replacement and a biomatrix produced according to this method | |
Bhumiratana et al. | Engineering physiologically stiff and stratified human cartilage by fusing condensed mesenchymal stem cells | |
JP3680067B2 (en) | Production of chondrocytes for transplantation | |
CN115777016A (en) | Method for producing synovial-derived mesenchymal stem cells and method for producing cell preparation for joint treatment | |
CN110237302A (en) | A kind of preparation method of articular cartilage repair materials-autologous platelet rich plasma combination hyaluronic acid gel | |
RU2731314C1 (en) | Method for production of spheroids for cartilage repair | |
CN106474156A (en) | Purposes in preparing medicine for the compositionss | |
US10167447B2 (en) | Supports and methods for promoting integration of cartilage tissue explants | |
Ghiasi et al. | Use of mesenchymal adult stem cell for cartilage regeneration by hydrogel | |
CN216169072U (en) | Step-by-step assembly type cartilage-bone porous bionic scaffold | |
Rodriguez et al. | Tissue engineering of cartilage | |
JP2006314759A (en) | Cartilage composition for transplantation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 19950746 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
32PN | Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established |
Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 19/09/2022) |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 19950746 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |