Введение и историческая справка
Скаффолд-технология (scaffold-technology) (англ. scaffold — леса, подмостки, греч. techne — искусство, мастерство и logos — учение) — культивирование клеток на трехмерных подложках-носителях естественного или искусственного происхождения с целью пространственного формирования будущего клеточного органа или его фрагмента для трансплантата [1].
Повреждение клеток в результате травмы запускает различные взаимодействия физиологических и патофизиологических процессов и их составляющих (компоненты внеклеточного матрикса, факторов роста, цитокинов, хемокинов и т.д.), которые индуцируют механизмы регенерации и репарации. Внеклеточный коллагеновый матрикс является природным биологическим скаффолдом и матрицей для заселения клеток. Такая матрица представляет собой каркас из коллагена и эластина, окружает клетки почти во всех тканях, участвуя в регуляции клеточной адгезии, дифференцировке, пролиферации и миграции клеток. В результате происходит полное или частичное восстановление тканевых структур [2]. Если раневой дефект незначительный, рана заживает путем первичного натяжения. В случае повреждения структур экстрацеллюлярного матрикса практически всегда наблюдается появление рубца. Кроме того, процесс репарации может быть долгим и значительно снижает качество жизни пациента [3].
С целью сокращения сроков тканевой репарации ученые и исследователи в области регенеративной медицины попытались разработать и применить биологически активные вещества, схожие с теми, что продуцирует организм человека (факторы роста, интерлейкины и др.). Однако возникли некоторые сложности, связанные с процессами всасывания данных веществ, поддержанием необходимой среды для обеспечения диффузии в течение длительного времени. Оставался также открытым вопрос возможности влияния на характер распределения данных веществ, и были сложности с преодолением естественных барьеров организма [4, 5].
В связи с этим E.B. Lavik и соавт. (2013) создали Drug delivery system. Система заключается во введении фармакологических смесей в организм человека для достижения определенного терапевтического эффекта с заданным временем высвобождения и разложения препарата [6]. Данная система отчасти решила некоторые из вышеупомянутых проблем, но в закрытии раны и лечении больших раневых дефектов такие методы лечения так и остались малоэффективными.
В 1892 г. Х. Фехтинг, а также К. Рехингер (1893) и Г. Хаберландт (1902) предприняли первую попытку стимуляции роста растительных тканей и органов на фильтровальной бумаге, пропитанной сахарозой. Такие эксперименты не дали положительных результатов, но вызвали большой интерес в научной среде. А в 1912 г. Алексис Каррель получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине за достижения в области сосудистого шва, трансплантации кровеносных сосудов и органов [7]. С тех пор в медицине активно используют различные замещения дефицита тканей организма (аутопластика, аллопластика, изопластика, ксенотрансплантация, эндопротезирование). Однако применение данных материалов сопряжено с рядом проблемных моментов: некоторые трансплантаты обладают нежелательными свойствами сокращения и/или не вполне оптимальными механическими характеристиками, для других свойственна нежелательная миграция клеток и биодеградация, кроме того, практически всегда возникают аллергические реакции со стороны реципиента.
Во избежание всех этих проблем был внедрен новый метод, объединяющий в себе использование биоматериалов для создания каркаса тканей, а также применение клеточных технологий, с помощью которых можно осуществлять контроль над свойствами самих клеток. Данная технология получила название метода тканевой инженерии [8].
Для реализации подобной модели необходима триада составляющих:
1) клетки донорской ткани, а также эмбриональные или зрелые стволовые клетки и клетки-предшественники; 2) биоматериалы для осуществления каркасной функции; 3) факторы роста [9].
Общие вопросы скаффолд-технологий
Скаффолды играют крайне важную роль в регенеративных процессах, так как их функция состоит в направлении роста клеток. По этой причине необходимо соблюдение при производстве некоторых важных требований к физико-химическим свойствам скаффолдов, а именно:
— возможность поддержки/доставки клеток и биологически активных веществ, индукция, дифференцировка и направление роста ткани. При этом подобные матрицы должны активировать клеточный ответ для препятствования нагноения раны;
— материал должен быть биодеградируемым и биосовместимым;
— матрица должна подходить к ране по размеру, быть пластичной, механически прочной и пористой, иметь адекватные для работы клеток толщину.
При этом для каждой ткани и для каждого анатомического участка необходим определенный коэффициент прочности, пористости и упругости скаффолда. Так, при создании скаффолдов для замещения костной ткани, где трабекулярная кость имеет прочность от 7 до 10 МПа, а пористость достигает 90%, нужно создать не просто прочный каркас, но материал, который должен обеспечить достаточное кровоснабжение костной ткани. Кроме того, скаффолд не должен терять своих основных свойств при стерилизации. Не менее важными условиями являются технологическая возможность производства и экономическая доступность готового продукта [10, 11].
Так, при производстве скаффолдов на основе биологических материалов легко осуществлять контроль их физико-химических свойств. Немаловажным положительным моментом в применении данных матриц является снижение риска появления локального воспалительного ответа. При использовании синтетических материалов предпочтение отдают биоразлагаемым композитам, так как они полностью лизируются, снижая проявления хронического воспаления в организме реципиента. Таким образом, описанные материалы служат лишь временным вспомогательным субстратом для собственной регенерации тканей [12—14].
Биоматериалом для скаффолда могут служить и керамические материалы, получаемые путем соединения кальция, кремнезема, фосфора, магния, калия и натрия. Такие материалы активно используют при создании скаффолдов в костной инженерии и стоматологии [15, 16].
Разработана методика инъекции некоторых веществ в зону повреждения (цитокинов, факторов роста и др.). Однако для такого метода характерны непродолжительный период полураспада материалов, высокая плотность, а также выраженная токсичность [8].
Одним из самых удачных методов производства матриц является технология пропитывания скаффолда необходимыми веществами, благодаря чему все молекулы воспроизводимой системы остаются в стабильном состоянии. Применение данного метода в перспективе позволит решить проблемы раннего высвобождения молекул, а также обеспечить более точное распределение материала в зоне повреждения, придавая ему любую форму [17].
Таким образом, правильно спроектированный скаффолд улучшает функциональные возможности клеток и тканей в зоне повреждения за счет создания физического барьера от воздействия неблагоприятных факторов внешней среды. Наличие в составе скаффолда биологически активных веществ, факторов роста и пористость матрицы, в свою очередь, обеспечивают активную продукцию внеклеточного матрикса, способствуют выведению продуктов жизнедеятельности клеток, уменьшая время заживления раневых дефектов и ускоряя сроки лечения пациентов.
Области применения скаффолдов в восстановительной медицине
Области хирургии, в которых в настоящее время применяют скаффолд-технологии, довольно разнообразны: травматология и ортопедия, челюстно-лицевая хирургия, стоматология, нейрохирургия и нейроонкология, реконструктивная и пластическая хирургия, кардиохирургия, офтальмология и пр. [12, 18, 19].
Замещение покровных тканей кожным заменителем — очень актуальное, распространенное и многообещающее пособие в пластической хирургии и регенеративной медицине. Однако частичный или полный некроз дистальной области кожного лоскута приводит к недостаточному кровоснабжению и ограничению микроваскуляризации ткани, что остается и серьезной проблемой [20]. В связи с этим предприняты попытки выхода из данной ситуации путем использования вазодилататоров, блокаторов симпатической иннервации, антитромботических средств [21]. Но все эти препараты имеют ряд побочных действий, противопоказаний к применению и далеко не всегда являются универсальными [22]. Нашли свое применение и факторы роста эндотелия сосудов и фибробластов, однако их использование также не всегда эффективно ввиду короткого периода полувыведения, малой эффективности при местном лечении и побочных эффектов [23, 24].
Тактика отсроченной операции для улучшения интеграции кожного лоскута имеет недостаток в виде необходимости повторного хирургического вмешательства [25]. В анализируемой литературе найдены сообщения о местном введении мезенхимальных стволовых клеток, стимулирующих неоангиогенез. Однако мезенхимальные клетки в условиях ишемии зачастую гибнут после имплантации [26]. Технология производства скаффолда методикой электроспиннинга, напротив, нашла широкое применение при замещении кожных дефектов, так как материал, полученный данным способом, способствует хорошей васкуляризации дистального лоскута, что снижает вероятность некроза ткани [27—29].
Использование же синтетических материалов для замещения дефицита покровных тканей не дало значимых улучшений в лечении, так как такие материалы обладают чрезмерной механической прочностью, что негативно влияет на регенерацию тканей и вызывает выраженную воспалительную реакцию [30]. Иначе дело обстоит с использованием скаффолда на основе биологических материалов (фиброин шелка с высеянным эндотелием и гладкомышечными клетками артерий человека). Отмечено, что эндотелиальные клетки формируют сложную взаимосвязанную сеть на поверхности материала [31, 32].
Еще одним перспективным материалом при замещении кожного дефекта можно считать гидрогелевые скаффолды с факторами роста клеток, способствующих ангиогенезу [33]. M. Fujita и соавт. (2007) использовали хитозан, получаемый из хитина панцирей креветок и крабов, который является нетоксичным, биоразлагаемым и биосовместимым. Применение посредством местной инъекции такого гидрогеля, способствующего локальному ангиогенезу, дало обнадеживающие результаты при заживлении ран покровных тканей [34].
Коллаген-хитозановые каркасы обеспечивают хорошую биосовместимость, достаточную пористую структуру для адекватного ангиогенеза и регенерации кожных покровов, однако имеют неудовлетворительные механические свойства, что ограничивает их применение. В связи с этим X. Wang и соавт. (2013) разработали кожный имплант на основе трикотажной сетки из полиL-лактид-ко-гликолида, интегрированного в коллаген-хитозановый каркас. Доказано, что такой скаффолд сохраняет свою механическую прочность, несмотря на средний размер пор, а также способствует появлению вновь образованной собственной ткани и активному ангиогенезу [35].
Не так давно стали известны результаты использования скаффолдов для замещения кожных дефектов, полученных в результате ожогов, хронических ран при сахарном диабете или после обширных хирургических операций. Так, опыт М.Н. Егорихиной и соавт. (2018) [12] показал, что скаффолд на основе плазмы крови и коллагена обеспечивает как механическую поддержку раневого дефекта, так и рост, пролиферацию и жизнеспособность клеток в течение 2 нед in vitro. Используемая структура содержит достаточно плотные волокна с обширной сетью пор, при этом данные параметры можно регулировать уменьшением концентрации тромбина.
Скаффолды также активно применяют в челюстно-лицевой хирургии и стоматологии. В исследованиях S. Sangkert и соавт. (2021) [36] выполнено изучение 3D-каркасов из альгината/поливинилового спирта с содержанием фиброина шелка. Такой каркас представляет собой внеклеточный матрикс кости. Данные материалы практически не способны к увеличению в объеме, обладают необходимой биоразлагаемостью, жизнеспособностью и адгезией. P. Jitphuthi и соавт. (2017) [37] доказали эффективность имплантации пористого скаффолда из полимолочной кислоты, покрытой коллагеном. Результаты исследований показали многообещающие перспективы для применения подобных материалов в различных направлениях регенеративной медицины.
Проблемы использования аутологичных тканей при замещении дефектов тканей человека заключаются в осложнениях со стороны донорских органов, ограничении по объему имплантируемого материала и неопределенности долгосрочных результатов. L. Tong и соавт. (2021) в своих исследованиях по применению скаффолдов на основе мезенхимальных стволовых клеток, полученных из жировой ткани, показали возможность получения такого материала путем выполнения липосакции у самого пациента. По мнению ученых, такой материал обладает мультиплюрипотентной способностью к дифференциации в остеобласты, хондроциты, нейроны и миоциты. Выявленная способность предрасполагает к использованию материала в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, нейроонкологии и других областях [38, 39].
Биоматериал, состоящий из нативного коллагена, показал свою эффективность в плане уменьшения площади изъязвлений при синдроме диабетической стопы. Учитывая состав материала, некоторые исследователи рекомендуют его применение в различных областях репаративной медицины [40, 41].
W.L. Dissanayaka и C. Zhang (2020) [42] и J. Luo и соавт. (2021) [43] показали преимущество использования в стоматологической ортопедии ксенотрансплантатов, обогащенных факторами роста.
Не менее актуальным остается вопрос замещения утраченных тканей с помощью скаффолд-технологий в сердечно-сосудистой хирургии. Как показали наблюдения C. Hodonsky и соавт. (2015) [44], применение политетрафторэтилена и подслизистой основы тонкой кишки свиньи в виде заплат по типу пластыря дают обнадеживающие результаты в хирургии врожденных пороков сердца. Выявлено, что положительный эффект таких «пластырей» основан на стимуляции пролиферации стволовых клеток пациента, продукции ангиогенного фактора роста и дальнейшей дифференцировки клеток.
Нерешенной проблемой сердечно-сосудистой хирургии является коррекция надклапанного стеноза легочной артерии у новорожденных. F. Nappi и соавт. (2015) [45] предпринята модель реконструкции легочного ствола новорожденных на лабораторных животных. Модель сконструирована на основе аутологичного перикарда и подкреплена полидиоксаноновой сеткой. У экспериментальныых животных наблюдали постепенное необходимое увеличение диаметра легочной артерии, способного выдерживать гемодинамическую нагрузку и дальнейшее развитие магистральных артерий во время соматического роста.
В качестве материала для создания биоискусственной ткани сердца отлично продемонстрировала себя декстрановая скаффолд-матрица. Так S. Banerjee и соавт. (2021) [46] доказали, что декстрановый гидрогель может быть использован в кардиохирургии с учетом способности к сокращению в физиологических условиях.
Заключение
Бурное развитие и обилие существующих методов замещения дефектов тканей человека на основе применения скаффолд-технологии в восстановительной и регенеративной хирургии убедительно доказывают перспективность данной отрасли медицины в целом. Высокая конкуренция на медицинском рынке, многообразие современных и перспективных способов производства открывают положительные стороны проблемы, так как ведут к разработке более качественных и менее затратных вариантов производства и лечения. Существующие высокотехнологичные процессы современного производства скаффолд-матриц позволяют предположить полное замещение устаревших методов производства и лечения новыми разработками в ближайшей перспективе. Вместе с тем необходимы дополнительные исследования по возможности применения и оценке изложенных в обзоре результатов методов. Одной из перспективных целей развития данного направления является создание и использование универсальных материалов, применяемых в различных отраслях регенеративной медицины при замещении дефектов тканей человека.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.