Кость является твердым органом, состоящим из костной ткани, костного мозга, эндооста, периоста, хряща, нервов и кровеносных сосудов. Состав и строение кости напрямую зависят от ее локализации, прилагаемой нагрузки, возраста и пола индивида, а также заболеваний, которые он мог перенести. Являясь композитной структурой, кость на 70 % состоит из минеральной фазы, на 9 % из воды, оставшиеся 20 % занимает органический матрикс из коллагена и других белков, 1 % составляют клеточные элементы [1].
Минеральная фаза кости состоит из кальцийфосфата – гидроксиапатита, представленного в виде нанокристаллов размером от 8–10 до 50 нм. 90 % органической фазы костной ткани представлено коллагеном I типа, в виде волокон, формирующих тяжи, толщина которых исчисляется в нанометрах.
Именно такое композитное строение обеспечивает уникальные физико-механические свойства кости – прочность и эластичность. Характеристика данных свойств приведена в табл. 1.
С целью создания матрицы для тканевой инженерии костной ткани необходимо использовать материалы, способные наиболее приближенно имитировать физико-механические свойства натуральной костной ткани.
В аналитическом исследовании от 2015 года компьютерными методами были проанализированы 1458 статей по тематике тканевой инженерии костной ткани. Результат показал, что наиболее часто при производстве матриц к синтетическим биоразлагаемым полимерам добавляют: белки естественного внеклеточного матрикса кости, кальцийфосфаты и факторы роста [35]. Более перспективные из перечисленных материалов будут описаны ниже.
Таблица 1
Физико-механические свойства компактной и губчатой кости [6, 11].
|
Показатели |
Компактная кость |
Губчатая кость |
|
Предел прочности при растяжении |
50–150 МРа |
10–100 МРа |
|
Прочность при сжатии |
130–230 МРа |
2–12 МРа |
|
Модуль продольной упругости (модуль Юнга) |
7–30 ГРа |
0,02–0,5 ГРа |
|
Растяжение до разрыва |
1–3 % |
5–7 % |
|
Модуль сдвига |
3 ГРа |
3 ГРа |
Синтетические полимеры
Синтетические полимеры по сравнению с другими материалами обеспечивают огромную гибкость синтеза разнообразных конструкций и их модифицирования. Биоактивность этих полимеров очень мала, что позволяет устранить неблагоприятные воздействия на организм.
Для производства тканеинженерного аналога костной ткани наибольшее распространение получили полилактид (в D и L хиральных формах) [3, 25], полилактид-ко-гликолид [15], поликапролактон [32], полипропилен фумарат [27], полиэтилен гликоль [33], полиэтилен оксид [31].
Все перечисленные полимеры отличаются по своим физико-механическим, химическим и биологическим свойствам. Характеристики основных из них представлены в табл. 2.
Таблица 2
Основные характеристики синтетических полимеров [5, 26, 28]
|
Материал |
Прочность при сжатии/растяжении (МПа) |
Модуль Юнга (ГРа) |
Элонгация (%) |
Температура плавления (°С) |
Период биодеградации (месяцы) |
|
Поли-L-лактид |
28–2300 |
4,8 |
5–10 |
175 |
24–68 |
|
Поли-D,L-лактид |
29–150 |
1,9 |
3–10 |
165–180 |
12–16 |
|
Полигликолид |
350–920 |
12,5 |
15–20 |
200 |
6–12 |
|
Полилактид-ко-гликолид (85/15) |
41,4–55,2 |
2,0 |
3–10 |
– |
5–6 |
|
Полилактид-ко-кликолид (50/50) |
41,4–55,2 |
2,0 |
3–10 |
– |
1–2 |
|
Поликапролактон |
23 |
0,4 |
300–500 |
57 |
> 24 |
Cинтетические полимеры используются как основа для матриц, в которую возможно добавление адъювантов существенно изменяющих физико-механические свойства конструкций, а также поведение на них клеток. Постепенная биодеградация такой основы должна обеспечить возможность замещения конструкции естественной тканью организма.
Натуральные полимеры и их мономеры
Целью добавления натуральных полимеров и их мономеров к синтетическим полимерам является имитация свойств натурального внеклеточного матрикса кости. В целом натуральные полимеры и их мономеры являются биоактивными веществами, что положительно сказывается на адгезии, пролиферации и дифференцировке клеток на конструкциях. На данный момент широкое распространение в тканевой инженерии костной ткани получили такие вещества, как хитозан [27], коллаген [18], желатин [10], эластин [12], шелк [14]. Хорошо изучено их влияние как на свойства конструкции, так и поведение клеток.
В недавних исследованиях показана возможность применения и минорных белков натуральной костной ткани, среди которых фибронектин и остеокальцин [38].
Натуральные полимеры и их мономеры применяются в тканевой инженерии костной ткани как адъювантные вещества. Массовая доля их в конструкции обычно не превышает 10 %. Однако даже такого количества достаточно для существенного улучшения свойств самой конструкции, а также для создания оптимальных условий для жизнедеятельности клеток по сравнению с чистыми синтетическими полимерами.
Кальцийфосфаты и другие неорганические соединения
Кальцийфосфаты являются семейством минералов, содержащих ионы Ca2+ и РО43–. Данные соединения в большом количестве содержатся в натуральном внеклеточном матриксе кости, что обеспечивает его жесткость. Кальцийфосфаты, являясь биоактивным материалом, способствуют экспрессии генов, отвечающих за остеогенную дифференцировку клеток. Вдобавок показана возможность кумулирования в кальцийфосфатах различных сигнальных молекул, что придает материалу остеоиндуктивные свойства [34].
В тканевой инженерии костной ткани кальцийфосфаты используются как самостоятельное вещество, формирующее матрицу с различной пористостью, как адъювант к синтетическим полимерам с целью улучшения механических свойств конструкции, как модификатор поверхности для металлических изделий [2].
Наибольшее распространение в тканевой инженерии получили гидроксиаппатит [19] (в т.ч. и наногидроксиаппатит), β-трикальций фосфат [13] и карбонат кальция [7].
Перечисленные вещества могут использоваться в тканеинженерных конструкциях в виде порошков, нанопорошков, цементов, а также покрытий.
Среди других неорганических соединений в тканeвой инженерии широкое распространение получили соединения различных металлов: MgO, SrO, Au. Являясь естественными минорными соединениями костной ткани, данные материалы положительно влияют на пролиферацию и дифференцировку клеток в конструкциях, предположительно за счет возникновения электромагнитных стимулов. Для золотых наночастиц показаны различные эффекты на культуры клеток в зависимости от валентности металла [36, 22].
Так же показано положительное влияние и неметаллов на жизнедеятельность клеток в культуре. С данными целями были исследованы кремний [23] и бор [16]. Оба вещества показали положительное влияние на адгезию, пролиферацию и дифференцировку клеток. Остеоиндуктивные свойства бора оказались крайне высокими.
Сигнальные молекулы
Сигнальные молекулы являются веществами, регулирующими в организме процессы на клеточном уровне. Таким образом, добавление таких материалов в биодеградирующие матрицы для тканевой инженерии костной ткани способно направить клетки по костному пути развития и усилить их адгезию и пролиферацию.
В тканевой инженерии костной ткани наибольшее распространение получили белки семейства костного морфогенетического белка (bone morphogenetic protein, BMP). BMP ответственны за пролиферацию хондро- и остеоцитов, а также увеличивают продукцию этими клетками внеклеточного матрикса. BMP поддерживают дифференцирование стволовых клеток по остеогенному пути. BMP 2, 4, 7 вызывают наработку внеклеточного матрикса in vitro. BMP 1–3 увеличивают выработку клетками коллагена I типа и остеокальцина. Исследования с заключением BMP в биодеградирующую матрицу показали, что добавление данной сигнальной молекулы вызывает образование костной ткани внутри конструкции [6, 9, 17, 24].
Факторы роста фибробластов (Fibroblast growth factors, FGFs) стимулируют пролиферацию мезенхимальных стволовых клеток, остеобластов и хондробластов. FGF способствуют образованию различных тканей в связи с их ангиогенным потенциалом. FGF-2 наиболее изученный цитокин в тканевой инженерии костной ткани [9].
Инсулиноподобные факторы роста (Insulin-like growth factors, IGFs) способствуют пролиферации хондро- и остеобластов, а также стимулируют секрецию естественного внеклеточного матрикса обоими типами клеток. IGF вызывает синтез коллагена и минерализацию внеклеточного матрикса в костной ткани [30].
Факторы роста, полученные из тромбоцитов (Platelet-derived growth factors, PDGFs), усиливают пролиферацию хондро- и остеобластов. Однако имеют дозозависимый эффект. Так, при определенных концентрациях их эффект носит резорбтивный характер по отношению к костной ткани. PDGFs действует как митотический фактор в отношении остеобластов и других типов клеток [9].
Трансформирующий фактор роста – β (Transforming growth factoris-β, TGFs-β) вызывает дифференцирование мезенхимальных стволовых клеток в хондроциты, также оказывает положительное влияние на пролиферацию хондро- и остеобластов. Так же как и PDGF, в определенных концентрациях может оказывать резорбтивное действие на костную ткань, что связано с его ролью в регуляциях процессов образования и резорбции костной ткани [11].
RGD белки, содержащие в себе последовательность Аргинин – Глицин – Аспарагиновая кислота, являются белками клеточной адгезии и вызывают прикрепление к себе остеобластов и дальнейший остеогенез. Добавление RGD белков в конструкцию существенно повышает адгезию, пролиферацию клеток, а также способствует их дифференцировке по остеогенному пути, вызывает усиленное отложение внеклеточного матрикса [37].
Таким образом, сигнальные молекулы, являясь высоко биоактивными естественными соединениями, оказывают сильнейшее влияние на жизнедеятельность клеток на матрицах. Однако их воздействие на физико-механические свойства конструкции настолько мало, что не берется учеными в расчет.
Заключение
На сегодняшний день технологии тканевой инженерии костной ткани позволяют создавать клеточные матрицы, достаточно приближенные по своему составу к композитному натуральному внеклеточному матриксу кости, что создает благоприятные условия для адгезии, пролиферации и дифференцировки клеток различных линий, а также обеспечивает выгодные физико-механические свойства конструкции.
Группы материалов, использующихся в тканевой инженерии костной ткани, повторяют группы веществ, содержащихся в натуральном внеклеточном матриксе кости. Наиболее широкое распространение для создания тканеинженерного эквивалента костной ткани получили синтетические биоразлагаемые полимеры, натуральные белки, неорганические соединения и сигнальные молекулы. Добавление веществ из каждой группы существенно влияет на свойства конечной продукции. Такой «композитный» подход поможет обеспечить выгодные физико-механические свойства конечных клеточных матриц, а также создаст оптимальные условия для адгезии, пролиферации и дифференцировки клеточных элементов внутри конструкции. Биодеградация применяемых материалов поможет обеспечить выполнение главной задачи тканевой инженерии костной ткани – возможность замещения конструкций естественными тканями организма, что приведет к восстановлению исходной анатомической целостности кости.
Ввиду большого количества наработанных материалов и методов, возможных к применению на данный момент, дальнейшее производство должно двигаться по пути тщательной отработки протоколов создания готовой продукции, содержание которых будет зависеть от конкретного создаваемого вида конструкций.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ проекта № 15-29-04849.