Клеточные технологии в травматологии: от клетки до тканевой инженерии
https://doi.org/10.29413/ABS.2020-5.6.8
Аннотация
Тяжёлые травмы опорно-двигательного аппарата с повреждением костной и хрящевой тканей сопряжены с необходимостью поиска способов замещения дефектов. Современные способы лечения, в том числе включающие применение аутотрансплантатов, современных синтетических материалов, часто недостаточно эффективны. Статья посвящена перспективам разработки новых направлений в лечении травматологической патологии, основанных на применении клеточных технологий. Подробно обсуждены как медицинские, так и этические аспекты применения клеточных технологий и использования различных источников клеточного материала для трансплантации. Особое место уделено применению мезенхимальных стволовых клеток как наиболее подходящего материала для репарации костной и хрящевой тканей. Данные клетки обладают свойствами мультипотентных стволовых клеток, способных адгезироваться на пластиковых поверхностях, дифференцироваться в различные клетки, включая хондробласты, остеобласты, и мигрировать в повреждённый участок. Показано, что количество и биологические характеристики выделяемых клеток зависят от ткани, метода выделения клеток и питательной среды. Во время культивирования мезенхимальных стволовых клеток, истинным маркером которых является Stro-1, необходимо следить за длительностью и количеством пассажей, так как это обратно коррелирует с дифференцирующим потенциалом клеток и может произойти спонтанная трансформация по онкогенному пути.
Таким образом, мезенхимальные стволовые клетки представляют собой современный материал для реконструкции твёрдых тканей. Несмотря на этические и технологические проблемы, клеточные технологии являются перспективным методом регенеративной медицины.
Таким образом, мезенхимальные стволовые клетки представляют собой современный материал для реконструкции твёрдых тканей. Несмотря на этические и технологические проблемы, клеточные технологии являются перспективным методом регенеративной медицины.
Ключевые слова
Об авторах
Н. Н. Дремина
ФГБНУ «Иркутский научный центр хирургии и травматологии»
Россия
Россия
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории клеточных технологий и регенеративной медицины
664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1, Россия
И. С. Трухан
ФГБНУ «Иркутский научный центр хирургии и травматологии»
Россия
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории клеточных технологий и регенеративной медицины
664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1, Россия
Россия
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории клеточных технологий и регенеративной медицины
664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1, Россия
И. А. Шурыгина
ФГБНУ «Иркутский научный центр хирургии и травматологии»
Россия
доктор медицинских наук, профессор РАН, заместитель директора по научной работе
664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1, Россия
Россия
доктор медицинских наук, профессор РАН, заместитель директора по научной работе
664003, г. Иркутск, ул. Борцов Революции, 1, Россия
Список литературы
1. Yorukoglu AC, Kiter AE, Akkaya S, Satiroglu-Tufan NL, Tufan AC. A concise review on the use of mesenchymal stem cells in cell sheet-based tissue engineering with special emphasis on bone tissue regeneration. Stem Cells Int. 2017; 2017: 2374161. doi: 10.1155/2017/2374161
2. Bhardwaj N, Chouhan D, Mandal BB. Tissue engineered skin and wound healing: Current strategies and future directions. Curr Pharm Des. 2017; 23(24): 3455-3482. doi: 10.2174/1381612823666170526094606
3. Tarassoli SP, Jessop ZM, Al-Sabah A, Gao N, Whitaker S, Doak S, Whitaker IS. Skin tissue engineering using 3D bioprinting: An evolving research field. Plast Reconstr Aesthet Surg. 2018; 71(5): 615-623. doi: 10.1016/j.bjps.2017.12.006
4. Modugno FD, Colosi C, Trono P, Antonacci G, Ruocco G, Nisticò P. 3D models in the new era of immune oncology: focus on T cells, CAF and ECM. J Exp Clin Cancer Res. 2019; 38(1): 117. doi: 10.1186/s13046-019-1086-2
5. Schmidt SK, Schmid R, Arkudas A, Kengelbach-Weigand A, Bosserhoff AK. Tumor cells develop defined cellular phenotypes after 3D-bioprinting in different bioinks. Cells. 2019; 8(10): 1295. doi: 10.3390/cells8101295
6. Sun Q, Barz M, De Geest BG, Diken M, Hennink WE, Kiessling F, Lammers T, Shi Y. Nanomedicine and macroscale materials in immuno-oncology. Chem Soc Rev. 2019; 48(1): 351-381. doi: 10.1039/c8cs00473k
7. Shevchenko IL. Cellular technologies in cardiology. Vestn Ross Akad Med Nauk. 2003; 11: 6-10.
8. Duran AG, Reidell O, Stachelscheid H, Klose K, Gossen M, Falk V, Röll W, Stamm C. Regenerative medicine/cardiac cell therapy: Pluripotent stem cells. Thorac Cardiovasc Surg. 2018; 66(1): 53-62. doi: 10.1055/s-0037-1608761
9. Goradel NH, Ghiyami-Hour F, Negahdari B, Malekshahi ZV, Hashemzehi M, Masoudifar A, Mirzaei H. Stem cell therapy: A new therapeutic option for cardiovascular diseases. J Cell Biochem. 2018; 119(1): 95-104. doi: 10.1002/jcb.26169
10. Taoufik E, Kouroupi G, Zygogianni O, Matsas R. Synaptic dysfunction in neurodegenerative and neurodevelopmental diseases: an overview of induced pluripotent stem-cell-based disease models. Open Biol. 2018; 8(9): 180138. doi: 10.1098/rsob.180138
11. Nuñez J, Vignoletti F, Caffesse RG, Sanz M. Cellular therapy in periodontal regeneration. Periodontol 2000. 2019; 79(1): 107-116. doi: 10.1111/prd.12250
12. Shan LH, An XY, Xu MM, Fan SP, Zhong H, Ni P, Chi H. Analysis on the trend of innovation and development in the field of ophthalmology. Zhonghua Yan Ke Za Zhi. 2018; 54(6): 452-463. doi: 10.3760/cma.j.issn.0412-4081.2018.06.012
13. Millman JR, Pagliuca FW. Autologous pluripotent stem cell-derived β-like cells for diabetes cellular therapy. Diabetes. 2017; 66(5): 1111-1120. doi: 10.2337/db16-1406
14. Arber C, Lovejoy C, Wray S. Stem cell models of Alzheimer’s disease: Progress and challenges. Alzheimers Res Ther. 2017; 9(1): 42. doi: 10.1186/s13195-017-0268-4
15. Акопян А.С., Белоусов Д.Ю., Рысулы М.Р., Куликов А.В. Некоторые актуальные проблемы клинических исследований стволовых клеток. Качественная клиническая практика. 2010; (1): 22-28.
16. Miguel-Beriain I. The ethics of stem cells revisited. Adv Drug Deliv Rev. 2015; 82-83: 176-80. doi: 10.1016/j.addr.2014.11.011
17. Lavazza A, Massimini M. Cerebral organoids: ethical issues and consciousness assessment. J Med Ethics. 2018; 44(9): 606-610. doi: 10.1136/medethics-2017-104555
18. Petrini C. Bioethics of clinical applications of stem cells. Int J Mol Sci. 2017; 18(4): 814. doi: 10.3390/ijms18040814
19. Zheng YL. Some ethical concerns about human induced pluripotent stem cells. Sci Eng Ethics. 2016; 22(5): 1277-1284. doi: 10.1007/s11948-015-9693-6
20. Aulisio MP. Double effect, principle or doctrine of. In: Jennings B. (editor) Bioethics. Gale: Farminton Hills, MI, USA. 2014; 2: 889-894.
21. Деев Р.В., Исаев А.А., Кочиш А.Ю., Тихилов P.M. Клеточные технологии в травматологии и ортопедии: пути развития. Клеточная трансплантология и тканевая инженерия. 2007; 2(4): 18-30.
22. Mills LA, Aitken SA, Simpson RWAH. The risk of nonunion per fracture: Current myths and revised figures from a population of over 4 million adults. Acta Orthop. 2017; 88(4): 434-439. doi: 10.1080/17453674.2017.1321351
23. Gómez-Barrena E, Rosset P, Lozano D, Stanovici J, Ermthaller C, Gerbhard F. Bone fracture healing: Cell therapy in delayed unions and nonunions. Bone. 2015; 70: 93-101. doi: 10.1016/j.bone.2014.07.033
24. Fernández-Hernández O. Terapias para el hueso: Sustitutivos óseos. Mon Act Soc Esp Med Cir Pie Tobillo. 2017; 9: 45-53.
25. Kemper N, Davison N, Fitzpatrick D, Marshall R, Lin A, Mundy K, Cobb RR. Characterization of the mechanical properties of bovine cortical bone treated with a novel tissue sterilization process. Cell Tissue Bank. 2011; 12(4): 273-279. doi: 10.1007/s10561-010-9191-7
26. Mayer Y, Ginesin O, Khutaba A, Machtei EE, Giladi HZ. Biocompatibility and osteoconductivity of PLCL coated and noncoated xenografts: An in vitro and preclinical trial. Clin Implant Dent Relat Res. 2018; 20(3): 294-299. doi: 10.1111/cid.12596
27. Qiao W, Liu R, Li Z, Luo X, Huang B, Liu Q, Chen Z, Tsoi JKH, Su Y-X, Cheung KMC, Matinlinna JP, Yeung KWK, Chen Z. Contribution of the in situ release of endogenous cations from xenograft bone driven by fluoride incorporation toward enhanced bone regeneration. Biomater Sci. 2018; 6(11): 2951-2964. doi: 10.1039/c8bm00910d
28. Arpağ OF, Damlar I, Altan A, Tatli U, Günay A. To what extent does hyaluronic acid affect healing of xenografts? A histomorphometric study in a rabbit model. J Appl Oral Sci. 2018; 26: 20170004. doi: 10.1590/1678-7757-2017-0004
29. Laurencin C, Khan Y, El-Amin SF. Bone graft substitutes (Review). Expert Review of Medical Devices. 2006; 3(1): 49-57. doi: 10.1586/17434440.3.1.49.
30. Ma D, Ren L, Liu Y, Chen F, Zhang J, Xue Z, Mao T. Engineering scaffold-free bone tissue using bone marrow stromal cell sheets. J Orthop Res. 2010; 28(5): 697-702. doi: 10.1002/jor.21012
31. Diaz-Rodriguez P, López-Álvarez M, Serra J, González P, Landín M. Current stage of marine ceramic grafts for 3D bone tissue regeneration. Mar Drugs. 2019; 17(8): 471. doi: 10.3390/md17080471
32. Fu K, Xu Q, Czernuszka J, Triffitt JT, Xia Z. Characterization of a biodegradable coralline hydroxyapatite/calcium carbonate composite and its clinical implementation. Biomed Mater. 2013; 8(6): 065007. doi: 10.1088/1748-6041/8/6/065007
33. Zhang G, Brion A, Willemin A-S, Piet M-H, Moby V, Bianchi A, Mainard D, Galois L, Gillet P, Rousseau M. Nacre, a natural, multi-use, and timely biomaterial for bone graft substitution. J Biomed Mater Res A. 2017; 105(2): 662-671. doi: 10.1002/jbm.a.35939
34. Шаманская Т.В., Осипова Е.Ю., Румянцев С.А. Технологии культивирования мезенхимальных стволовых клеток ex vivo для клинического использования. Онкогематология. 2009; 3: 69-76.
35. Koga H, Engebretsen L, Brinchmann JE, Muneta T, Sekiya I. Mesenchymal stem cell-based therapy for cartilage repair: A review. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2009; 17(11): 1289-1297. doi: 10.1007/s00167-009-0782-4
36. Friedenstein AJ, Gorskaja JF, Kulagina NN. Fibroblast precursors in normal and irradiated mouse hematopoietic organs. Exp Hematol. 1976; 4: 267-274.
37. Caplan AI. Mesenchymal stem cells. J Orthop Res. 1991; 9: 641-650.
38. Лупатов А.Ю., Вдовин А.С., Вахрушев И.В., Полтавцева Р.А., Ярыгин К.Н. Сравнительный анализ экспрессии поверхностных маркеров на фибробластах и фибробластоподобных клетках, выделенных из различных тканей человека. Клеточные технологии в биологии и медицине. 2014; 4: 221-228.
39. Shurygin MG, Shurygina IA, Dremina NN, Kanya OV. Endogenous progenitors as the source of cell material for ischemic damage repair in experimental myocardial infarction under conditions of changed concentration of vascular endothelial growth factor. Bulletin of Experimental Biology and Medicine. 2015; 158(4): 528-531.
40. Nauta AJ, Fibbe WE. Immunomodulatory properties of mesenchymal stromal cells. Blood. 2007; 110(10): 3499-3506. doi: 10.1182/blood-2007-02-069716
41. Mushahary D, Spittler A, Kasper C, Weber V, Charwat V. Isolation, cultivation, and characterization of human mesenchymal stem cells. Cytometry A. 2018; 93(1): 19- 31. doi: 10.1002/cyto.a.23242
42. Kolaparthy LK, Sanivarapu S, Moogla S, Kutcham RS. Adipose tissue‐adequate, accessible regenerative material. Int J Stem Cells. 2015; 8: 121-127.
43. Peng L, Li H, Gu L, Peng X-M, Huang Y-S, Gao Z-L. Comparison of biological characteristics of marrow mesenchymal stem cells in hepatitis B patients and normal adults. World J Gastroenterol. 2007; 13(11): 1743-1746. doi: 10.3748/wjg.v13.i11.1743
44. Seebach C, Henrich D, Tewksbury R, Wilhelm K, Marzi I. Number and proliferative capacity of human mesenchymal stem cells are modulated positively in multiple trauma patients and negatively in atrophic nonunions. Calcif Tissue Int. 2007; 80(4): 294-300. doi: 10.1007/s00223-007-9020-6
45. Stenderup K, Justesen J, Clausen C, Kassem M. Aging is associated with decreased maximal life span and accelerated senescence of bone marrow stromal cells. Bone. 2003; 33(6): 919-926. doi: 10.1016/j.bone.2003.07.005
46. Gronthos S, Zannettino AC, Hay SJ, Shi S, Graves SE, Kortesidis A, Simmons PJ. Molecular and cellular characterisation of highly purified stromal stem cells derived from human bone marrow. J Cell Sci. 2003; 116(9): 1827-1835. doi: 10.1242/jcs.00369
47. Dominici M, Le Blanc K, Mueller I, Slaper-Cortenbach I, Marini F, Krause D, Deans R, Keating A, Prockop D, Horwitz E. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells: the International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy. 2006; 8(4): 315-317. doi: 10.1080/14653240600855905
48. Ning H, Lin G, Lue TF, Lin C-S. Mesenchymal stem cell marker Stro-1 is a 75kd endothelial antigen. Biochem Biophys Res Commun. 2011; 413(2): 353-357. doi: 10.1016/j.bbrc.2011.08.104
49. Nakamura A, Akahane M, Shigematsu H, Tadokoro M, Morita Y, Ohgushi H, Dohi Y, Imamura T. Cell sheet transplantation of cultured mesenchymal stem cells enhances bone formation in a rat nonunion model. Bone. 2010; 46(2): 418-424. doi: 10.1016/j.bone.2009.08.048
50. Yim RL-H, Lee JT-Y, Bow CH, Meij B, Leung V, Cheung KMC, Vavken P, Samartzis D. A systematic review of the safety and efficacy of mesenchymal stem cells for disc degeneration: Insights and future directions for regenerative therapeutics. Stem Cells Dev. 2014; 23(21): 2553-2567. doi: 10.1089/scd.2014.0203
51. Shimizu T, Yamato M, Kikuchi A, Okano T. Cell sheet engineering for myocardial tissue reconstruction. Biomaterials. 2003; 24(13): 2309-2316. doi: 10.1016/s0142-9612(03)00110-8
52. Owaki T, Shimizu T, Yamato M, Okano T. Cell sheet engineering for regenerative medicine: Current challenges and strategies. Biotechnol J. 2014; 9(7): 904-914. doi: 10.1002/biot.201300432
53. Радеева И.Ф., Думченко Н.Б., Нечаева Е.А. Культивирование клеток на микроносителях в биореакторах. Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. 2019; 2: 22-32. doi: 10-15593/2224-9400/2019.2.02
54. Kwon OH, Kikuchi A, Yamato M, Sakurai Y, Okano T. Rapid cell sheet detachment from poly(N- isopropylacrylamide)-grafted porous cell culture membranes. J Biomed Mater Res. 2000; 50(1): 82-89. doi: 10.1002/(sici)1097-4636(200004)50:1<82::aidjbm12>3.0.co;2-7
55. Calve S, Dennis RG, Kosnik PE, Baar K, Grosh K, Arruda EM. Engineering of functional tendon. Tissue Eng. 2004; 10(5-6): 755-761. doi: 10.1089/1076327041348464
56. Murdoch AD, Grady LM, Ablett MP, Katopodi T, Meadows RS, Hardingham TE. Chondrogenic differentiation of human bone marrow stem cells in transwell cultures: generation of scaffold-free cartilage. Stem Cells. 2007; 25(11): 2786-2796. doi: 10.1634/stemcells.2007-0374
57. Sakaguchi K, Shimizu T, Okano T. Construction of three-dimensional vascularized cardiac tissue with cell sheet engineering. J Control Release. 2015; 205: 83-88. doi: 10.1016/j.jconrel.2014.12.016
58. L’Heureux N, McAllister TN, de la Fuente LM. Tissueengineered blood vessel for adult arterial revascularization. N Engl J Med. 2007; 357(14): 1451-1453. doi: 10.1056/NEJMc071536
59. Masuda S, Shimizu T, Yamato M, Okano T. Cell sheet engineering for heart tissue repair. Adv Drug Deliv Rev. 2008; 60(2): 277-285. doi: 10.1016/j.addr.2007.08.031
60. Bornes TD, Adesida AB, Jomha NM. Mesenchymal stem cells in the treatment of traumatic articular cartilage defects: a comprehensive review. Arthritis Res Ther. 2014; 16(5): 432. doi: 10.1186/s13075-014-0432-1
61. Lubis AMT, Lubis VK. Adult bone marrow stem cells in cartilage therapy. Acta Medica Indonesiana. 2012; 44(1): 62-68.
62. Gudas R, Gudaite A, Pocius A, Gudiene A, Cekanauskas E, Monastyreckiene E, Basevicius A. Ten-year follow-up of a prospective, randomized clinical study of mosaic osteochondral autologous transplantation versus microfracture for the treatment of osteochondral defects in the knee joint of athletes. Am J Sports Med. 2012; 40(11): 2499-508. doi: 10.1177/0363546512458763
63. Levy YD, Görtz S, Pulido PA, McCauley JC, Bugbee WD. Do fresh osteochondral allografts successfully treat femoral condyle lesions? Clin Orthop Relat Res. 2013; 471(1): 231-237. doi: 10.1007/s11999-012-2556-4
64. Kon E, Filardo G, Berruto M, Benazzo F, Zanon G, Villa SD, Marcacci M. Articular cartilage treatment in high-level male soccer players: A prospective comparative study of arthroscopic second-generation autologous chondrocyte implantation versus microfracture. Am J Sports Med. 2011; 39(12): 2549-2557. doi: 10.1177/0363546511420688
65. Chavez RD, Serra R. Scaffoldless tissue-engineered cartilage for studying transforming growth factor beta- mediated cartilage formation. Biotechnol Prog. 2020; 36(1): 2897. doi: 10.1002/btpr.2897
66. Johnstone B, Hering TM, Caplan AI, Goldberg VM, Yoo JU. In vitro chondrogenesis of bone marrow-derived mesenchymal progenitor cells. Exp Cell Res. 1998; 238: 265-272. doi: 10.1006/excr.1997.3858
67. Tew SR, Murdoch AD, Rauchenberg RP, Hardingham TE. Cellular methods in cartilage research: Primary human chondrocytes in culture and chondrogenesis in human bone marrow stem cells. Methods. 2008; 45(1): 2–9. doi: 10.1016/j.ymeth.2008.01.006
68. Szychlinska MA, Calabrese G, Ravalli S, Parrinello NL, Forte S, Castrogiovanni P, Pricoco E, Imbesi R, Castorina S, Leonardi R, Rosa MD, Musumeci G. Cycloastragenol as an exogenous enhancer of chondrogenic differentiation of human adiposederived mesenchymal stem cells. A morphological study. Cells. 2020; 9(2): 347. doi: 10.3390/cells9020347
69. Cooke ME, Allon AA, Cheng T, Kuo AC, Kim HT, Vail TP, Marcucio RS, Schneider RA, Lotz JC, Alliston T. Structured three-dimensional co-culture of mesenchymal stem cells with chondrocytes promotes chondrogenic differentiation without hypertrophy. Osteoarthritis Cartilage. 2011; 19(10): 1210-1218. doi: 10.1016/j.joca.2011.07.005
Рецензия
Для цитирования:
Дремина Н.Н., Трухан И.С., Шурыгина И.А. Клеточные технологии в травматологии: от клетки до тканевой инженерии. Acta Biomedica Scientifica. 2020;5(6):66-76. https://doi.org/10.29413/ABS.2020-5.6.8
For citation:
Dremina N.N., Trukhan I.S., Shurygina I.A. Cellular Technologies in Traumatology: from Cells to Tissue Engineering. Acta Biomedica Scientifica. 2020;5(6):66-76. (In Russ.) https://doi.org/10.29413/ABS.2020-5.6.8
Просмотров:
1172
Послать статью по эл. почте 
