Лазерная инженерия биологических тканей для регенеративной медицины

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 14-25-00055

НазваниеЛазерная инженерия биологических тканей для регенеративной медицины

Руководитель Баграташвили Виктор Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" , г Москва

Конкурс №2 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований коллективами существующих научных лабораторий (кафедр)»

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-405 - Регенеративная медицина

Ключевые слова Регенеративная медицина; лазерная инженерия биотканей; тканевая инженерия; аддитивные технологии; биопечать, биоматериалы, регенерация тканей.

Код ГРНТИ76.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Регенеративная медицина - быстро развивающаяся область исследований, занимающаяся восстановлением структуры и функций поврежденных или утраченных тканей и органов с использованием терапевтических и хирургических клеточных технологий. Она имеет огромную перспективу клинических применений и вполне справедливо рассматривается, как авангард будущего здравоохранения. Как большая самостоятельная область исследований, регенеративная медицина оформилась на рубеже 20го и 21го веков и находится, фактически, на начальном этапе своего развития; многие ее проблемы уже хорошо обозначены, но пока еще далеки от своего решения. Для реализации в полной мере стратегии регенеративной медицины необходимы широкомасштабные мульти-дисциплинарные исследования (науки о жизни, физика, химия, науки о материалах, инженерия, социальные науки), разработки новых передовых методов и подходов. В настоящем проекте предлагается оригинальный цикл фундаментальных исследований, направленных на привлечение широкого арсенала современных методов лазерной физики, химии, биомедицины и лазерно-информационных и клеточных технологий для восстановления структуры и функций биологических тканей. Одна из важнейших тенденций в развитии современной тканевой инженерии и регенеративной медицины связана с применением биодеградируемых матриц-носителей с открытой пористостью определенного масштаба, способных поддерживать миграцию, рост и дифференцировку стволовых клеток. Такая матрица с введенными в нее стволовыми клетками, имеющая необходимую форму и внутреннюю архитектонику должна постепенно резорбироваться в среде организма, при этом скорость биодеградации не должна превышать темпы регенерационных процессов тканей. Для создания таких матриц-носителей в проекте будет использовано несколько лазерных аддитивных технологий (технологии быстрого лазерного прототипирования): поверхностно-селективное лазерное спекание (ПСЛС); лазерная стереолитография и двухфотонная лазерная фотополимеризация. В методе ПСЛС лазерное излучение ближнего ИК диапазона сканируется по заданной программе по поверхности порошка, спекая его частицы в твердую структуру, а инициирование процесса плавления осуществляется путем поглощения лазерного излучения не полимером, который слабо поглощает на длине волны используемого лазера, а добавленными в порошок полимера частицами сенсибилизатора. В методе лазерной стереолитографии изготовление трехмерного полимерного матрикса на основе его компьютерного образа осуществляется послойно при помощи сканирующего лазерного луча, который воздействует на поверхность жидкой фотополимеризующейся композиции вызывая ее затвердевание. В методе 2х фотонной лазерной фотополимеризации облучение фотополимеризующейся композиции лазерными имульсами ультракороткой (10^-13с) длительности позволит получать матриксы с рекордным пространственным разрешением (до 100 нм). В методе лазерной биопечати для целенаправленного переноса клеток и формирования различных клеточных и клеточно-биополимерных структур используется фото-акустический эффект. Различные виды лазерного воздействия будут использованы для стимуляции регенеративных процессов в естественных тканях и тканеинженерных конструкциях. Хорошо известно, что низкоинтенсивное лазерное излучение (НИЛИ) видимого и близкого ИК диапазона вызывает эффект клеточной стимуляции за счет специфических механизмов, в частности, изменения степени окисления цитохром-С-оксидазы и ускоренной передачи электронов в каталитический центр фермента. Кроме того, лазерно-стимулированная кавитация (ЛСК), вызванная взрывным кипением и кавитационным схлопыванием парогазовых пузырьков вблизи торца оптоволокна в тканевой жидкости стимулирует пролиферацию клеток (в культурах, в составе тканей и тканеинженерных конструкций) за счет эффектов механобиологии. В проекте в рамках общей проблемы восстановления структуры и свойств патологических и поврежденных тканей решаются несколько связанных друг с другом конкретных задач: - с использованием трех взаимно дополняющих лазерных аддитивных технологий (селективное лазерное спекание, лазерная стереолитография, двух-фотонная лазерная фотополимеризация) будет создан ряд новых искусственных биосовместимых биорезорбируемых матриксов-носителей, имеющих определенный химический состав, скорость резорбции, форму и внутреннюю (на нано-, микро- и макро- уровнях) архитектонику; для этих целей будет синтезирован ряд новых, с том числе, фотополимеризуемых биорезорбируемых материалов. - будет проведено не имеющее мировых аналогов исследование, направленное на выявление влияния химического состава и внутренней структуры созданных матриксов-носителей на поведение стволовых и дифференцированных клеток в условиях in vitro и in vivo. Для этого, на разных этапах будут использованы первичные и перевиваемые культуры клеток млекопитающих, выделенные из разных источников: первичные культуры мезенхимальных стволовых клеток (МСК) выделенных из костного мозга и кожно-мышечной ткани мышей; перевиваемая линия плюрипотентных мезенхимальных клеток эмбрионов мыши; первичные культуры МСК пульпы зуба; фибробласты, полученные из клеток подкожной соединительной ткани мышей и ряд других культур клеток. Исследование воздействия архитектоники имплантатов и включенных в них биоактивных агентов на адгезию, пролиферацию и дифференцировочную активность клеток-предшественников костной ткани будет проведено с применением современных методов флуоресцентной и конфокальной микроскопии, ПЦР реального времени, иммуно-гистохимического и биохимического анализа. - для определения пригодности созданных матриц для тканевой инженерии будут создан ряд специализированных клеточно-инженерных и ткане-инженерных конструкций, направленных на выращивание нескольких различных типов тканей – костных и хрящевых тканей, тканей поджелудочной железы. - будет проведено математическое моделирование процессов биорезорбции в пористых клеточно-инженерных конструкциях и роста тканей. - методом лазерной биопечати будут созданы и исследованы трехмерные клеточные и клеточно-биополименые структуры; будут определены условия лазерно-индуцированного переноса и клеток, позволяющие избежать повреждения клеток. - впервые будет изучено влияние воздействия НИЛИ и ЛСК на эффективность регенеративных процессов в костных и хрящевых тканях, а также клеточно-инженернх конструкциях. - будет изучена эффективность воздействия НИЛИ и ЛСК на клетки модельных объектов быстроразвивающихся организмов (гамет серого морского ежа, дафний и др.); это позволит уточнить механизм стимулирующего действия НИЛИ, а также, впервые проследить за результатами воздействия не только на протяжении жизни организма, но и возможными наследуемыми изменениями в нескольких следующих поколениях. Результаты исследований, предлагаемых в этом проекте, будут иметь большое значение для развития «Лазерной инженерии биологических тканей», как нового перспективного направления современной регенеративной медицины.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Чайлахян Р.К., Юсупов В.И., Горская Ю.Ф., Куралесова А.И., Герасимов Ю.В., Свиридов А.П., Тамбиев А.Х., Воробьева Н.Н., Грошева А.Г., Шишкова В.В., Москвина И.Л., Баграташвили В.Н. ЭФФЕКТЫ АКУСТИЧЕСКОГО И КВЧ-ОЗДЕЙСТВИЯ НА МУЛЬТИПОТЕНТНЫЕ СТРОМАЛЬНЫЕ КЛЕТКИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ ГЕТЕРОТОПНЫХ КОСТНОМОЗГОВЫХ ОРГАНОВ В ТКАНЕИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, 11 (158), с. 640-644 (год публикации - 2014)
10.1007/s10517-015-2836-6

2. Севастьянов В.И., Духина Г.А., Пономарева А.С., Кирсанова Л.А., Перова Н.В. Биомедицинский клеточный материал для регенерации суставного хряща: биосовместимые и гистоморфологияечкие свойства (экспериментальная модель подкожной имплантации) Перспективные материалы, №10, с. 28-39 (год публикации - 2014)

3. Антонов Е. Н., Баринов С. М., Вахрушев И. В., Комлев В. С., Попов В. К., Федотов А. Ю., Ярыгин К. Н. Селективное лазерное спекание биоактивных композиционных матриксов для инженерии костных тканей Перспективные материалы, №11, с. 22-33 (год публикации - 2014)

4. Вахрушев И.В., Вдовин А.С., Струкова Л.А., Ярыгин К.Н. Сравнение цитофенотипа, пролиферативной и миграционной активности МСК пульпы молочного зуба, полученных от разных доноров Клеточные технологии в биологии и медицине, №4, стр.213-217 (год публикации - 2016)
10.1007/s10517-016-3212-x

5. Королева А.В., Девик А., Ргуен А., Шлие-Волтер С., Нараян Р., Тимашев П.С., Баграташвили В.Н., Чичков Б.Н.ichkov Osteogenic Differentiation of human mesenchymal stem cells in 3-D Zr-Si Organic- Inorganic Scaffolds Produced by Two-Photon Polymerization Technique Plos One, 10(2): e0118164 (год публикации - 2015)
10.1371/journal.pone.0118164

6. Севастьянов В.И., Перова Н.В Биополимерный гетерогенный гидрогель Сферо®ГЕЛЬ — инъекционный биодеградируемый имплантат для заместительной и регенеративной медицины Практическая медицина, 8 (84), с.110-116 (год публикации - 2014)

Публикации

1. Китай М.С., Семчишен А.В., Семчишен В.А. Effect of laser radiation wavelength and reepithelization process on optical quality of eye cornea after laser correction of vision Quantum Electronics, 45 (10) pp.927 – 932 (год публикации - 2015)
10.1070/QE2015v045n10ABEH015732

2. Чайлахян Р.К., Шехтер А.Б., Тельпухов В.И., Иванников С.В., Герасимов Ю.В., Воробьева Н.Н., Москвина И.Л., Баграташвили В.Н. Восстановление неполнослойных повреждений гиалинового хряща суставов кроликов трансплантацией мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток костного мозга Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова, № 1, стр.23-27 (год публикации - 2015)

3. Ведунова М.В., Тимашев П.С., Мищенко Т.А., Митрошина Е.В., Королева А.В., Чичков Б.Н., Панченко В.Я., Баграташвили В.Н., Мухина И.В. Формирование нейронных сетей на трехмерных матриксах, полученных методом лазерной микростереолитографии Cell Technologies in Biology and Medicine, No. 2, pp.616-621 (год публикации - 2016)
10.1007/s10517-016-3470-7

4. Великанов А.Н., Гостев Ф.Е., Супруненко Е.А., Шелаев И.В., Юсупов В.И., Надточенко В.А. Стимуляция пролиферативной активности клеточных культур кератиноцитов НаСаТ и мезенхимных сторомальных клеток крысы фемтосекундными лазерными импульсами Цитология, т.57, №8, стр. 572-576 (год публикации - 2015)

5. Севастьянов В.И. Клеточно-инженерные конструкции в тканевой инженерии и регенеративной медицине Вестник трансплантологии и искусственных органов, том XVII № 2, стр. 127-130 (год публикации - 2015)
10.15825/1995-1191-2015-2-127-130

6. Тимашев П.С., Ведунова М.В., Гусева Д., Понимаскин Е., Дейвик А., Мищенко Т.А., Митрошина Е.В., Королева А.В., Пимашкин А.С., Мухина И.В., Панченко В.Я., Чичков Б.Н., Баграташвили В.Н.agratashvili 3-D in vitro platform produced by two-photon polymerization for the analysis of neural network formation and function Biomed. Phys. Eng. Express, 2 (2016) 035001 (год публикации - 2016)
10.1088/2057-1976/2/3/035001

7. Воробьева О.В., Филенко О.Ф., Исакова Е.Ф., Воробьева Н.Н., Рыбалтовский А.О., Юсупов В.И., Баграташвили В.Н. Effects of He–Ne laser on Daphnia magna Straus manifested in subsequent generations Laser Phys. Lett., 12(11) pp.115601-115607 (год публикации - 2015)
10.1088/1612-2011/12/11/115601

8. Чайлахян Р.К., Юсупов В.И., Горская Ю.Ф., Куралесова А.И., Герасимов Ю.В., Свиридов А.П., Тамбиев А.Х., Воробьева Н.Н., Грошева А.Г., Шишкова В.В., Москвина И.Л., Баграташвили В.Н. Effects of Acoustic and EHF Impulses on Multipotent Stromal Cells during Formation of Bone Marrow Containing Heterotopic Organs in Tissue Engineered Constructions Bulletin of Experimental Biology and Medicine, Vol. 158, No. 5 (год публикации - 2015)
10.1007/s10517-015-2836-6

9. Елагин В.В., Павликов А.И., Юсупов В.И., Ширманова М.В., Загайнова Е.В., Баграташвили В.Н. In Vitro Effect of Laser-Induced Hydrodynamics on Cancer Cells Cell Technologies in Biology and Medicine, No. 3, рp.150-159 (год публикации - 2015)
10.1007/s10517-015-3117-0

10. Василец В.Н., Сургученко В.А., Пономарева А.С., Немец Е.А., Севастьянов В.И., Бае Джин Ву, Парк Ки Донг Effects of Surface Properties of Bacterial Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) on Adhesion and Proliferation of Mouse Fibroblasts Macromolecular Research, Vol. 23, No. 2, pp. 205-213 (год публикации - 2015)
10.1007/s13233-015-3025-1

11. Баринов С.М., Вахрушев И.В., Комлев В.С., Миронов А.В., Попов В.К., Тетерина А.Ю., Федотов А.Ю., Ярыгин К.Н. 3D Printing of Ceramic Scaffolds for Engineering of Bone Tissue Inorganic Materials: Applied Research, Vol. 6, No. 4, pp. 316–322 (год публикации - 2015)
10.1134/S207511331504005X

Публикации

1. Дженг Й.Дж., Коновалов А.Н., Попов В.К., Ченг Ю.Л., Шафикова Р. Projection Stereolithography of Biocompatible Polymer Structures Inorganic Materials: Applied Research, Vol. 7, No. 5, pp. 745–749 (год публикации - 2016)
10.1134/S2075113316050051

2. Заичкина С.И., Дюкина А.Р., Розанова О.М., Симонова Н.Б., Романченко С.П., Сорокина С.С., Закржевская Д.Т., Юсупов В.И., Баграташвили В.Н. Induction of the Adaptive Response in Mice Exposed to He-Ne Laser and X-Ray Radiation Bulletin of Experimental Biology and Medicine, Vol. 161, No. 1, pp. 32-35 (год публикации - 2016)
10.1007/s10517-016-3336-z

3. Тимашев П.С., Бардакова К.Н., Чурбанов С.Н., Кротова Л.И., Григорьев А.М., Новиков М.М., Лакеев С.Г., Севастьянов В.И., Баграташвили В.Н. Сверхкритическая флюидная обработка трехмерных гидрогелевых матриксов, полученных из производных хитозана ВЕСТНИК ТРАНСПЛАНТОЛОГИИ И ИСКУССТВЕННЫХ ОРГАНОВ, том XVIII № 3 стр.85093 (год публикации - 2016)
10.15825/1995-1191-2016-3-85-93

4. Онищенко Н.А., Мещерин С.С., Ильинский И.М., Севастьянов В.И. Influence of bone marrow MSCs on the development of posttransplant changes in kidnes Vestnik transplantologii i iskusstvennykh organov, Issue 1, pp. 45-52 (год публикации - 2016)
10.15825/19951191201614552

5. Новиков И.А., Вахрушев И.В., Антонов Е.Н., Ярыгин К.Н., Суббот А.М. Визуализация мезенхимных cтромальных клеток в двумерных и трехмерных культурах методом сканирующей электронной микроскопии с лантаноидным контрастированием Клеточные технологии в биологии и медицине, №4, стр. 248-254 (год публикации - 2016)

6. Зимняков Д.А., Ашарчук И.А., Ювченко С.А., Свиридов А.П. Stochastic interference of fluorescence radiation in random media with large inhomogeneities Optics Communications, 387 (2017) 121–127 (год публикации - 2016)
10.1016/j.optcom.2016.11.045

7. Андреева Н.В., Зотов К.В., Егоров Е.Е., Калашникова М.В., Юсупов В.И., Баграташвили В.Н., Белявский А.В. Воздействие инфракрасного лазерного облучения на размножение клеток меланомы человека в культуре Биофизика, т.61, №6, стр.1182–1189 (год публикации - 2016)

8. Тимашев П.С., ВоробьеваН.Н., Акованцева А.А., Минаев Н.В., Пискун Ю.А., Костюк С.В., Селезнева И.И., Василенко И.В., Захаркина О.Л., Игнатьева Н.Ю, Чайлахян Р.К., Лунин В.В., БаграташвилиВ.Н. Биосовместимость и деградация матриц из сополимеров полилактида и капролактона, сформированных методом СКФ порообразования Сверхкритические флюиды. Теория и практика, т. 11, № 2, с. 63-74 (год публикации - 2016)

9. Джанг Д.С.П., Дженг Й.Дж., Коновалов А.Н., Миронов А.В., Попов В.К., Чен Ё.Ю., Ченг Ю.Л., Шафикова Р. Трехмерная печать биосовместимых полимерных матриксов для тканеинженерных конструкций Известия РАН. Серия физическая, 80 (4), стр. 403–407 (год публикации - 2016)
10.7868/S0367676516040098

10. Баграташвили В.Н., Захаркина О.Л., Игнатьева Н.Ю., Лунин В.В. Лазеро-индуцированыые и термические процессы в модификации структуры соединительных тканей Издательство "Интеллект", г. Москва (год публикации - 2016)

11. Курков А.В., Шехтер А.Б., Гуллер А.Е., Плякин В.А., Пауков В.С. Морфологическое и морфометрическое исследование амиантоидной трансформации реберных хрящей в норме и при килевидной деформации грудной клетки у детей Архив патологии, № 6, стр. 30-37 (год публикации - 2016)
10.17116/patol201678630-37

12. Юсупов В.И., Коновалов А.Н., Ульянов В.А., Баграташвили В.Н. Generation of Acoustic Waves by CW Laser Radiation at the Tip of an Optical Fiber in Water Acoustical Physics, том 62, № 5, с. 537–544 (год публикации - 2016)
10.1134/S1063771016050183

13. Чайлахян Р.К., Юсупов В.И., Горская Ю.Ф., Куралесова А.И., Герасимов Ю.В., Свиридов А.П., Тамбиев А.Х., Воробьева Н.Н., Грошева А.П., Шишкова В.В., Москвина И.Л., Баграташвили В.Н. Effect of acoustic pulses and ehf radiation on multipotent marrow stromal cells in tissue engineering constructs Journal of Innovative Optical Health Sciences, Vol. 10, No. 1 (2016) 1650036 (9 pages) (год публикации - 2016)
10.1142/S179354581650036X

14. Воробьева О.В., Филенко О.Ф., Исакова Е.Ф., Юсупов В.И., Зотов К.В., Баграташвили В.Н. Влияние низкоинтенсивного электромагнитного излучения десятиметрового диапазона на морфо-функциональные показатели daphnia magna straus Биофизика, том 61, вып. 6, c. 1202–1207 (год публикации - 2016)

15. Заичкина С.И., Дюкина А.Р., Розанова О.М., Романченко С.П., Сирота Н.П., Кузнецова Е.А., Симонова Н.Б., Сорокина С.С., Закржевская Д.Т., Юсупов В.И., Баграташвили В.Н. Сочетанное действие низкоинтенсивного He-Ne лазерного и рентгеновского излучений на клеточные реакции цельной крови и лимфоидных органов у мышей in vivo Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, т.161, №5, стр.621-624 (год публикации - 2016)

16. Кузнецова Д.С., Тимашев П.С., Дуденкова В.В., Мелешина А.В., Антонов Е.Н., Кротова Л.И., Роров В.К., Баграташвили В.Н., Загайнова Е.В. Comparative analysis of proliferation and viability of multipotent mesenchymal stromal cell in 3D scaffolds with different architechtonics Cell Technologies in Biology and Medicine, No. 4, 2016, pp.535-541 (год публикации - 2016)
10.1007/s10517-016-3214-8

17. Ипполитов Е.В., Новиков М.М., Свиридов А.П., Плякин В.А., Кулик И.О., Баграташвили В.Н. Stereolithographic Modeling of the Costochondral Complex by Computer Tomography for the Laser Thermoplastics of Children’s Chests Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Physics, Vol. 80, No. 4, pp. 373–375 (год публикации - 2016)
10.3103/S106287381604016X

18. Джанг Д.С.П., Дженг Й.Дж., Дунаев А.Г., Кротова Л.И., Миронов А.В., Миронова О.А., Попов В.К., Чен Ё.Ю. Термоэкструзионная трехмерная печать биорезорбируемых полимерных матриксов для тканеинженерных конструкций Перспективные материалы, №7, стр. 31-39 (год публикации - 2016)

19. Кузнецов С.С., Дуденкова В.В., Кочуева М.В., Киселева Е.Б., Игнатьева Н.Ю., Захаркина О.Л., Сергеева Е.А., Бабак К.В., Масленникова А.В Многофотонная микроскопия в изучении морфологических особенностей радиационно-индуцированных повреждений мочевого пузыря Современные технологии в медицине, том 8, №2, стр.31-39 (год публикации - 2016)
10.17691/stm2016.8.2.04

20. Миронов А.В., Григорьев А.М., Кротова Л.И., Скалецкий Н.Н., Попов В.К., Севастьянов В.И. 3D Printing of PLA and PLGA Scaffolds for Tissue Engineering J. Biomedical Materails Research A, 2016 Aug 20 (год публикации - 2016)
10.1002/jbm.a.35871

21. Чайлахян Р.К., Шехтер А.Б., Иванников С.В., Тельпухов В.И., Суслин Д.С., Герасимов Ю.В., Тоненков А.М., Грошева А.Г., Панюшкин П.В., Москвина И.Л., Воробьева Н.Н., Баграташвили В.Н. Реконструкция дефектов сухожильно-связочного аппарата с использованием клеточных технологий Клеточные технологии в биологии и медицине, №4, стр.254-259 (год публикации - 2016)

22. Игнатьева Н. Ю., Захаркина О. Л., Семчишен В. А., Молчанов М. Д., Лунин В. В., Баграташвили В. Н. Модификация коллагенового каркаса реберного хряща при уф-воздействии в присутствии флавинмононуклеотида Журнал физической химии, том 90, № 3, с. 464–468 (год публикации - 2016)
10.7868/S0044453716030171