Разработка биоэквивалента для тканеинженерной стратегии восстановления протяженных дефектов трубчатых органов мочевыводящих путей

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 23-15-00481

НазваниеРазработка биоэквивалента для тканеинженерной стратегии восстановления протяженных дефектов трубчатых органов мочевыводящих путей

Руководитель Тимашев Петр Сергеевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет) , г Москва

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Коллаген, сфероиды, биоэквивалент, уретра, мочеточник, стриктура, тканевая инженерия, регенеративная медицина

Код ГРНТИ76.09.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Представленный проект направлен на решение задачи по восстановлению протяженных дефектов трубчатых органов мочевыводящих путей. В настоящий момент наиболее эффективные способы лечения таких патологических изменений связаны с использованием собственных тканей пациента (в частности, фрагментов слизистой оболочки ротовой полости (в случае уретры) или тонкой/толстой кишки (в случае мочеточника), что приводит к дополнительной травматизации пациента. Стоит подчеркнуть, что в клинической практике наиболее часто подобные повреждения имеют хронический характер, что дополнительно накладывает ряд требований к созданию релевантных животных моделей в разработке биоэквивалентов. В рамках проекта предлагается разработка стратегии использования искусственно созданных эквивалентов тканей, содержащих клетки буккального эпителия человека, для реконструкции зоны дефекта, что подразумевает получение следующих результатов: - разработан способ формирования биосовместимой коллагеновой матрицы с янус-подобном интерфейсом и отработан протокол ее стерилизации; - установлены макро- и микромеханические свойства нативных тканей уретры и мочеточников, а также сформированного биоэквивалента; - разработан протокол экструзионной биопечати двухслойного эквивалента с использованием сфероидов из клеток буккального эпителия человека и по результатам создана модель, описывающая особенности процесса формирования ткани в эквиваленте, для дальнейшей оптимизации протокола; - разработан протокол «созревания» напечатанного биоэквивалента с применением капиллярного биореактора; - разработана модель хронического повреждения трубчатых органов мочевыводящих путей у кроликов. Результатом проекта станет подготовка документов для получения разрешения Локального этического комитета Сеченовского университета на проведение пилотных клинических испытаний сформированного биоэквивалента. Разработанная матрица в случае положительных результатов испытаний на кроликах будет передана как ноу-хау через механизм лицензионного договора ЗАО «Зеленая дубрава», чья заинтересованность подтверждена письмом, приложенным к заявке. Фундаментальные результаты проекта, подтверждающие мировой уровень предложенных исследований, будут опубликованы в не менее 13 статьях в ведущих профильных международных журналах (включая Biofabrication, Nature Communications и др.) и представлены на основных российских и международных конференциях. Междисциплинарный характер проекта и достижимость указанных результатов обуславливает участие специалистов высокого уровня из разных областей знаний, работающих в Институте регенеративной медицины и Институте урологии и репродуктивного здоровья человека Сеченовского университета: урологии, регенеративной медицины, тканевой инженерии, материаловедения, биопринтинга, клеточной биологии. Участники проекта имеют большой совместный опыт проведения фундаментальных и прикладных исследований в выбранной области, что подтверждается публикациями в таких ведущих профильных международных журналах 1-го квартиля, как Acta Biomaterialia, Drug Discovery Today, World Journal of Urology, International Journal of Bioprinting, Nanoscale, Nature Chemical Biology и др. В частности, ранее была разработана матрица на основе коллагена для реконструктивной стоматологии, переданная индустриальному партнеру ЗАО «Зеленая дубрава» в 2022 году, разработан метод формирования многослойной эпителиальной выстилки (Zurina et al., Biomedical Materials, 2018), предложена модель слияния сфероидов при формировании биоэквивалента (Kosheleva et al., Scientific reports, 2020; Kosheleva et al., Acta Biomaterialia, 2022), разработана основа гидрогелевой системы для осуществления процесса биопечати (Gorkun, Biomedical Materials, 2018; Shpichka et al., RSC Advances, 2020), отработаны подходы к выполнению уретропластики с использованием различных материалов (Глыбочко и др., Урология, 2014; Глыбочко и др., Урология, 2015; Глыбочко и др., Урология, 2015).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Антошин А.А., Соловьева А.Б., Садчикова Е.Р., Котова С.Л., Ефремов Ю. , Сюэ Цю, Бутнару Д.В., Евлашин С.А. , Шпичка А.И., Чангшенг Лю, Тимашев П.С. Semipermeable barrier-assisted electrophoretic deposition of robust collagen membranes Journal of Materials Science, pages 9675–9697 (2023) (год публикации - 2023)
10.1007/s10853-023-08641-x

2. Свистушкин М.В., Котова С.Л., Золотова А.В., Файзуллин А.Л., Антошин А.А., Сережникова Н.Б., Шехтер А.Б., Волошин С.Ю., Гилязова А.Н., Истранова Е.В., Никифорова Г.Н., Хлытина А.А., Шевчик Е.А., Никифорова А.Н., Селезнева Л.В., Шпичка А.И., Тимашев П.С. Collagen Matrix to Restore the Tympanic Membrane: Developing a Novel Platform to Treat Perforations Polymers, 16, 248 (год публикации - 2024)
10.3390

3. Тимакова А.А., Ананьев В.В., Файзуллин А.Л., Земнухов Е.С., Егор Румянцев, Жаров А.А., Жарков Н.В., Варвара Зотова, Щелокова Е.Е., Демура Т.А., Тимашев П.С., Макаров В.А. LVI-PathNet: Segmentation-classification pipeline for detection of lymphovascular invasion in whole slide images of lung adenocarcinoma Journal of Pathology Informatics, Volume 15, 2024, 100395, ISSN 2153-3539, (год публикации - 2024)
10.1016

4. Ткачев С.Ю., Чепелова Н.К., Галечян Г.Ю., Ершов Б.П., Голуб Д.А., Попова Е.Н., Антошин А.А., Гилязова А.Н., Волошин С.Ю., Ефремов Ю.М., Истранова Е.В., Тимашев П.С. Three-Dimensional Cell Culture Micro-CT Visualization within Collagen Scaffolds in an Aqueous Environment Cells, 13, 1234. (год публикации - 2024)
10.3390

5. Чепелова Н.К., Сагитова Г.Р., Мунблит Д.Б., Суворов А.Ю., Морозов А.О., Шпичка А.И., Глыбочко П.В., Тимашев П.С., Бутнару Д.В. The search for an optimal tissue-engineered urethra model for clinical application based on preclinical trials in male animals: A systematic review and meta-analysis Bioengineering and Translational Medicine, Volume9, Issue6, November 2024, e10700 (год публикации - 2024)
10.1002

6. Николенко В.Н., Белов Ю.В., Оганесян М.В., Ефремов Ю.М., Ризаева Н.А., Вовкогон А.Д., Саньков А.В., Гридин Л.А., Тимашев П.С., Булыгин К.В., Санькова М.В. Potential of Current Direct Mechanical Testing Methods in Assessing Intraoperative Samples of Aortic Aneurysm Caused by Uncontrolled Arterial Hypertension СТМ, 16(4):46 (год публикации - 2024)
10.17691

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1.5. Описание выполненных в отчетном году работ и полученных научных результатов для публикации на сайте РНФ До 3 страниц (6 тыс. символов) текста, также указываются ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет (url-адреса), посвященные проекту. В 2024 году в рамках выполнения проекта № 23-15-00481 была показана биосовместимость разработанных матрицы с янус-подобным интерфейсом и биоэквивалента при подкожной имплантации иммунодефицитным мышам. Модель была выбрана с учетом результатов проведенного нами систематического обзора (10.1186/s13287-024-03976-x) в части оценки эффективности регенерации тканей. В месте имплантации матрицы на 7е сутки наблюдали умеренную лимфо-макрофагальную инфильтрацию, формирование капсулы с капиллярами, при этом резорбция была минимальна; на 21е сутки количество тучных клеток снижалось, капсула вокруг импланта приобретала среднюю зрелость. При имплантации биоэквивалента на 7е сутки клеточная инфильтрация была более выражена по сравнению с первой группой, однако было отмечено начальное прорастание клеточных тяжей, которое значительно усиливалось к 21м суткам и сопровождалось формированием зрелой капсулы. Были установлены механические свойства эквивалента, сформированного из жизнеспособных сфероидов из клеток мезенхимного (МСК-Д) и эпителиального (клетки букккального эпителия) фенотипов, средний диаметр которых составил 113,7 ± 13,4 мкм и 166,1 ± 21,9 мкм, соответственно. Установлено, что при созревании клетки пролиферировали и мигрировали, заполняя почти полностью объем гидрогелевого компонента эквивалента. Отличительной особенностью от эпителиальных клеток МСК-Д являлось более ранее начало распространения в виде отростков (3и сутки), которые удлинялись и ветвились на 7й день. При созревании масса эквивалентов, состоящих из сфероидов обоих типов, значимо не изменялась в течение 7 суток, однако к 14 суткам происходило постепенное падение до 87,5% от исходного значения. В качестве неразрушающего метода контроля качества формируемых эквивалентов была показана возможность применения метода рентгеновской микротомографии (10.3390/cells13151234). Измерение их механических свойств показало, что с 1го дня после печати разброс эффективного модуля Юнга и времени релаксации увеличивался. На их основе была создана механическая модель созревания эквивалента, в которой деградация гидрогелевого компонента представляли как экспоненциальную зависимость от времени и экспериментальная зависимость для времени релаксации напечатанных структур была аппроксимирована экспоненциальной функцией вида: Y(t) = (Y0 – Yinf)*exp(-t/tau) + Yinf, где Y0 – начальное значение параметра, Yinf – конечное значение параметра, и tau – характерное время деградации. Для упрощения модели формирование слоя принималось как изменение формы и слияние сфероидов с сохранением занимаемого объема, при которых одновременно происходит снижение жесткости окружающего гидрогеля. С целью потенциальной оптимизации механических свойств формируемого биоэквивалента за счет введения дополнительных слоев или других материалов, а также валидации разработанных моделей относительно других тканей нами был проведен анализ образцов стенки аорты (10.17691/stm2024.16.4.05). Была показана эффективность применения матрицы с янус-подобным интерфейсом в модели хронической стриктуры уретры у кроликов при сроке наблюдения до 270 суток. Имплантация матрицы обеспечивала полную регенерацию уротелия (на 15е сутки до 50% поверхности импланта было покрыто низкодифференцированным эпителием, а к 90м суткам происходило почти полное восстановление слизистой оболочки), что сопровождалось меньшим уровнем локального воспаления, слабой склонностью к формированию вторичных стриктур и достаточной степенью васкуляризации (кровеносные сосуды разного калибра). При проведении морфометрического анализа была разработана модель детекции сосудов, которая показала высокую точность в выделении сосудистых структур, в том числе применительно к другим состояниям (10.1016/j.jpi.2024.100395). Полученные результаты имплантации матрицы коррелирует с данными, описанными в проведенном нами систематическом обзоре доклинических испытаний (10.1002/btm2.10700). Была разработана модель повреждения мочеточника у минипигов, которую формировали острым способом (иссечение участка мочеточника с замещением удаленного фрагмента матрицей с янус-подобным интерфейсом). После операции локальная гиперемия и отёк отсутствовали, швы располагались корректно, признаков их несостоятельности или формирования сером не наблюдали. Паранефральные ткани были без патологических изменений, что свидетельствовало о нормальном заживлении и отсутствии осложнений в области операции. Анализ перинефральной жидкости показал наличие протеинурии и гематурии, а также высокое альбумин-креатининовое соотношение, что в целом является ожидаемым следствием повреждения тканей и сосудов и не выходило за рамки ожидаемых физиологических отклонений. По результатам УЗИ скопления жидкости или признаков абсцедирования не наблюдали; зона операционного поля была без признаков инфильтрации или нарушения целостности тканей. Согласно гистологическому анализу в области имплантации матрицы стенка мочеточника была восстановлена почти полностью с характерными глубокими продольными складками слизистой оболочки и почти полной эпителизацией (90%; зрелый и дифференцированный многослойный переходный эпителий). В 2024 году результаты реализации проекта были опубликованы в виде 5 статей, из них 3 статьи в журналах, относящихся к первому квартилю, и представлены на всероссийских и международных мероприятиях (в частности, на XX Конгрессе по биологии и технологии стволовых клеток (Тегеран, Иран)). В 2025 году планируется установить безопасность и эффективность применения биоэквивалента при заместительной уретропластики у кроликов и при повреждении мочеточника у минипигов, а также сформировать пакет документов и подать его для получения разрешения локального этического комитета на проведение пилотных клинических испытаний. Будет опубликовано не менее 4 статей в международных журналах, индексируемых в Scopus и/или Web of Science. По результатам выполнения проекта будет разработан новый подход к восстановлению протяженных дефектов трубчатых органов мочевыводящих путей (уретра и мочеточник) с помощью биоэквивалентов и будет опубликовано не менее 12 статей в международных журналах, индексируемых в Scopus и/или WoS.

Публикации