Данная статья представляет собой обзор литературных данных, посвященных применению различных биоматериалов при создании гидрогелей в терапии дегенеративных процессов межпозвонковых дисков за последние несколько лет. Дегенеративное поражение межпозвонковых дисков является одной из основных причин возникновения болей в спине. Разрушение межпозвоночных дисков в настоящее время представляет актуальную проблему частичной или полной утраты трудоспособности человека. Зачастую многие методы лечения не позволяют получить ожидаемых результатов. В большинстве случаев оно лишь вызывает частичное восстановление тканей. С клинической точки зрения лишена симптоматической направленности и не влияет на патогенез процесса. Авторами нижеприведенных литературных источников изложены современные данные о молекулярно-клеточных механизмах дегенерации межпозвонковых дисков. Важным вопросом для рассмотрения является способ доставки мезенхимальных стволовых клеток в разрушенные области межпозвоночного диска. Выбор наиболее оптимальных биоматериалов, удовлетворяющих следующим факторам: инъекционности, способности застывать после инъекции, обеспечению механической поддержки, биоразлагаемости и биосовместимости, способности стимулировать рост и дифференцировку стволовых клеток в межклеточном пространстве.

Обозначены актуальные, остающиеся нерешенными вопросы, что обусловливает необходимость проведения дальнейших экспериментальных и клинических исследований при лечении межпозвоночных дисков.

Ключевые слова: регенерация межпозвонкового диска, тканевая инженерия, биоматериалы.

This article is a review of current literature data, studies and articles on the use of various biomaterials in the creation of hydrogels in the treatment of degenerative processes of intervertebral discs. Degenerative damage to the intervertebral discs is one of the main causes of back pain. The destruction of the intervertebral discs is currently an urgent problem of partial or complete disability of a person. Often, many treatments do not provide the expected results. In most cases, it only causes partial tissue repair.

From a clinical point of view, it is devoid of symptomatic orientation and does not affect the pathogenesis of the process. The authors of the following researchers present current data on the molecular and cellular mechanisms of intervertebral disc degeneration. An important issue to consider is the method of MSC delivery to the destroyed areas of the intervertebral disc. The choice of the most optimal biomaterials, satisfying the following factors: inject ability, the ability to solidify after injection, provide mechanical support, be biodegradable and biocompatible, promote stimulation and differentiation of stem cells in the intercellular space.

Relevant, remaining unresolved issues are indicated, which necessitates further experimental and clinical studies in the treatment of intervertebral discs.

Key words: intervertebral disc regeneration, tissue engineering, biomaterials.

Дегенеративное разрушение диска, представляющее собой боль в пояснице, является второй по значимости причиной инвалидности и распространенной причиной потери рабочих дней, что в первую очередь обусловлено дегенерацией межпозвоночного диска (МПД) [1,2]. Более 48 % европейского населения и 80 % граждан США испытывают боль в пояснице из-за дегенеративного межпозвоночного диска, которое связано с расходами на здравоохранение в США, которые по недавним оценкам составляет более чем 253 миллиардa долларов ежегодно и 5,34 миллиардов евро в Европе [2,3]. Распространенность заболевания боли в спине будет значительно расти в ближайшие годы из-за увеличения продолжительности жизни населения [4]. Ключевым аспектом, связанным с поддержанием здорового желатинового пульпозного ядра (ПЯ), является взаимодействие между резидентными клетками и внеклеточным матриксом [5].

Цель данного обзора — этот обзор призван стать отправной точкой и источником вдохновения для будущей исследовательской работы по разработке новых биоматериалов для каркасов и биотехнологий использования стволовых клеток.

Для тканей МПД были исследованы различные каркасы из твердых биоматериалов для последующей тканевой регенерация. Поскольку фиброхондроциты нуждаются в химических и механических сигналах,

для того, чтобы функционировать и регенерировать нормальную ткань МПД, каркас, должен обладать способностью выдерживать физиологическую нагрузку. Поэтому очень важно подобрать материалы, соответствующие физико-химическим требованиям. Последние исследования показывают высокую эффективность синтетических биоматериалов, ввиду возможности контролируемо влиять на их физико-химические свойства, что не всегда можно сказать о природных материалах. [1]

Учитывая уникальность строения ткани МПД на разных участках ткани, важно, чтобы каркас точно учитывал особенности строения и состава каждого участка. В частности, пульпозного ядра и фиброзного кольца. Их особенности должны быть лучше имитированы, чтобы обеспечить направление и пролиферацию клеток, для выравнивания и наложение матрицы.

В стратегиях регенерации дегенеративного МПД имитация как биологических, так и механических свойств, а также макро- и микроструктуры нативной ткани улучшает биомеханические свойства материалов для облегчения биологической и функциональной регенерации МПД. Поэтому для регенерации дегенеративных МПД изучен и используется ряд методов и материалов. Функциональные полимеры, используемые в тканевой инженерии, являются подходящими материалами для восстановления и регенерации дегенеративных МПД из-за их великолепных механических и биологических свойств, а также способности принимать правильные формы, такие как гидрогель, частицы и волокна. [7]

Кроме того, методы восстановления дегенеративных МПД включают имитацию макро- и микроструктур, что позволяет проводить немедленное лечение для регенерации диска. Обсудим ниже приведенные перспективные методы и исследования в области тканевой инженерии с использованием функциональных полимеров, природного и синтетического происхождения, для поврежденных и дегенеративных МПД.

Природные полимеры

Хитозан представляет собой линейный катионный полисахарид, образующийся в результате деацетилирования хитина, который является естественным компонентом экзоскелета ракообразных и насекомых Хитозан, одобренный Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), является совместимым биоматериалом из-за его нецитотоксичности, биосовместимости, биоразлагаемости и антибактериальных свойств. [8].

Основными ограничениями гидрогеля хитозана являются относительно низкие механические свойства по сравнению с нативным МПД и сложность обращения с ним. Плохие механические свойства можно преодолеть путем смешивания или включения других полимеров для достижения улучшенных механических свойств

Коллаген является широко распространенным волокнистым белком в организме человека и основным структурным элементом внеклеточного матрикса в тканях, особенно в соединительных тканях. Коллаген обладает биоразлагаемостью и лучшей биосовместимостью, чем другие природные полимеры, но обладает слабой антигенностью. Коллагеновые матрицы обеспечивают хорошую адгезию и пролиферацию клеток благодаря особой аминоксилотной последовательности. [9] [10]

Желатин получают из термообработанного коллагена и представляют собой гетерогенный водорастворимый белок большой молекулярной массы. Желатин типа А производят из обработанных кислотой тканей, предварительно обработанных в условиях pH 8–9, а желатин типа B получают из обработанных известью тканей, предварительно обработанных в условиях pH 4–5. [7] Во многих случаях желатин и коллаген использовались в качестве дополнительного композита с другими материалами для улучшения биомеханических и метаболических свойств. Смесь желатина и окисленной гиалуроновой кислоты исследовали для инъекционного имплантата пульпозного ядра, гидрогель восстановил поврежденные ткани ядра, однако дефектная фиброзная оболочка осталась ограничением.

Альгинат, называемый альгиновой кислотой или альгином, представляет собой природный анионный полисахаридный полимер, полученный из бурых водорослей. Преимуществами альгината являются биосовместимость, низкая цитотоксичность, низкая стоимость и легкое гелеобразование при добавлении двухвалентных катионов (например, Ca ²⁺ , Ba ²⁺ , Mg ²⁺ ) [11]

В исследованиях с использованием альгинатного гидрогеля было исследовано гелеобразование альгината in situ с использованием сшивающих агентов карбоната.

Альгинат, который был адаптирован для инъекций в дегенерированные НЧ, восстанавливал высоту диска и увеличивал модуль по сравнению с интактным образцом. Показал высокий уровень сжатия, сохранения формы и гибкость. Полимер на основе альгинатного гидрогеля продемонстрировали высокую клеточную жизнеспособность встроенных в пульпозное ядро клеток.

Гиалуроновая кислота (ГК) или гиалуронан представляет собой линейный анионный полисахарид, несульфатированный гликозаминогликан, обнаруженный во внеклеточном матриксе по всему телу человека, особенно в хрящевых тканях [12], и может расщепляться гиалуронидазами у человека [13]. Также ГК может удерживать воду и становиться вязким образованием, что важно для гомеостаза и биомеханического кондиционирования тканей. В гидрогеле набухание гиалуронана приводит к повышению упругости и пластичности геля. Данные свойства весьма смежные с жёсткостью пульпозного ядра. ГК обладает противовоспалительными свойствами, обезболивающим действием [14,15], и было определено ее влияние на способность к регенерации клеток пульпозного ядра [16].

Синтетические полимеры

С синтетическими гидрогелями и их компонентами можно проводить множество манипуляций, чтобы обеспечить различные механические свойства. Сами свойства создаются в зависимости от их применения. Некоторые синтетические гидрогели, используемые в регенерации межпозвоночного диска, включают: полиэтиленгликоль (ПЭГ), поливиниловый спирт (ПВА), поливинил пирролидон (ПВП) и полиэтиленоксид (ПЭО)-полипропиленоксид (ПФО). Это далеко не весь список синтетических полимеров, однако их свойства наиболее изучены, а результаты исследования по ним интерпретированы во многих научных статьях. Однако учитывая современные требования, предъявляемые к биоматериалам, роль синтетических материалов отходит на второй план. Важными критериями, как уже было сказано выше, являются, оптимальные физико-химические свойства, выдерживающие механическую нагрузку, проведение химических сигналов, стимулирование, направление и пролиферацию клеток в свою нишу.

ПЭГ гидрогели использовались в качестве носителей биоматериала для доставки МСК в пульпозное ядро межпозвоночных дисков крыс, главной задачей было сохранение жизнеспособности клеток. [17]

Также были разработаны гидрогели ПВС/ПВП служащие минимально инвазивной инъекционной заменой пульпозного ядра. Однако четких доказательств, доказывающих способность гидрогеля ПЭГ выдерживать нагрузку или способствовать формированию матрицы на удерживание, в то время как материалы ПВА / ПВП не доказали, что они создают клеточную морфологию схожую на родное пульпозное ядро. [17,18]

Pluronic F-127, сополимерный гидрогель ПЭО/ПФО, осуществляет синтез хрящевой ткани, однако он не может сохранять свою первоначальную форму и непригоден для механической нагрузки. [19]

Хотя в настоящее время синтетических гидрогелей мало, они исследуются для применения пульпозного ядра в МПД, многие синтетические биоматериалы находятся в стадии разработки. В основном, созданы наработки для имитации структуры фиброзного кольца.

Есть одна проблема с инъекционными гидрогелями, заключается она в их склонности вытекать из места инъекции до их полного затвердевания/желеобразования. Поскольку гидрогели в основном используются для имитации пульпозного ядра, другие структуры биоматериала исследуются, чтобы лучше воссоздать общую структуру фиброзного кольца и родной диск в целом с его микроокружением.

В настоящее время большинство исследований гидрогелей для МПД сосредоточено в основном на природных материалах. Хотя синтетические материалы и их свойства легче контролировать, природные гидрогели обеспечивают лучшую среду для имитации пульпозного ядра дискового имплантата.

Функциональные полимеры являются важным элементом тканевой инженерии и регенеративных стратегий регенерации МПД. Были рассмотрены свойства природных и синтетических полимеры, которые обычно используются в качестве биоматериалов для создания полимера. В начале мы описываем макроструктуру функцианализированного полимера, его воздействие на микроокружение, функции и биологические свойства МПД, которые важны для биологической и функциональной регенерации ткани.

Большая часть исследований была сосредоточена на разработке каркасов с биоприменимыми свойствами, такими как биосовместимость и биоразлагаемость, а также высокая прочность на сжатие и растяжение. Среди полимеров, предложенных в этом обзоре, природные полимеры показали подходящие биологические свойства для тканеинженерного лечения МПД.

Заключение

На основании вышеупомянутых свойств синтетических и природных полимеров, можно сказать следующее: коллаген, желатин и ГК обладают преимуществами в пролиферации клеток и регенерации тканей ткани-мишени, поскольку они являются составляющими внеклеточный матрикс хряща человека. Кроме того, они обладают отличным свойством клеточной адгезии. Хитозан и ГК обладают антибактериальными и противовоспалительными свойствами, что выгодно в качестве каркаса. А хитозановый гидрогель обещает стать менее инвазивным лечебным материалом, поскольку он меняет фазу в зависимости от температуры и pH.

Каркасы, изготовленные только из каждого природного полимера, недостаточны в качестве тканеинженерного каркаса для МПД. Таким образом, в большинстве исследований каркасы изготавливались путем физического или химического объединения множества природных или синтетических полимеров. Рассмотренные синтетические полимеры обладают улучшенными физико-механическими свойствами, высокой жесткостью и прочностью на растяжение, чем упомянутые единичные природные полимеры. Кроме того, в качестве биоматериалов полиуретаны и полигликолиевая кислота обладают меньшей цитотоксичностью. ПЭГ и ПВА обладают относительно низкой адгезией к клеткам, поэтому добавляются другие материалы, включая коллаген, или синтезируются сополимеры. Слияние различных биоматериалов и технологий позволяют оптимизировать процесс, компенсировать отрицательные свойства друг друга. Оптимальный состав корректируется в зависимости от целей тканевой инженерии, в данном случае добиться регенерации механических и биологических функций МПД.

Литература:

1. Isa, I. L. M., Günay, B., Joyce, K. and Pandit, A., 2018. Tissue engineering: Biomaterials for disc repair. Current Molecular Biology Reports , 4 (4), pp.161–172.
2. Buckley, C.T., Hoyland, J.A., Fujii, K., Pandit, A., Iatridis, J.C. and Grad, S., 2018. Critical aspects and challenges for intervertebral disc repair and regeneration—Harnessing advances in tissue engineering. JOR spine , 1 (3), p.e1029.
3. Liu, X., Hanney, W.J., Masaracchio, M., Kolber, M.J., Zhao, M., Spaulding, A.C. and Gabriel, M.H., 2018. Immediate physical therapy initiation in patients with acute low back pain is associated with a reduction in downstream health care utilization and costs. Physical therapy , 98 (5), pp.336–347.
4. Knezevic, N.N., Mandalia, S., Raasch, J., Knezevic, I. and Candido, K.D., 2017. Treatment of chronic low back pain–new approaches on the horizon. Journal of pain research , 10 , p.1111.
5. Wang, S.Z., Rui, Y.F., Lu, J. and Wang, C., 2014. Cell and molecular biology of intervertebral disc degeneration: current understanding and implications for potential therapeutic strategies. Cell proliferation , 47 (5), pp.381–390.
6. Guilak F, Sah R, Setton LA. Physical regulation of cartilage metabolism. In: Mow VC, Hayes WC, editors. Basic orthopaedic biomechanics. Philadelphia: Lippincott-Raven Publishers; 1997. p 179–207.
7. Oner, L.; Groves, M. J. Optimization of Conditions for Preparing 2-Micron-Range to 5-Micron-Range Gelatin Microparticles by Using Chilled Dehydration Agents. Pharm. Res. 1993, 10, 621–626.
8. Sahariah, P.; Masson, M. Antimicrobial Chitosan and Chitosan Derivatives: A Review of the Structure-Activity Relationship. Biomacromolecules 2017, 18, 3846–3868/
9. Nishimura, T. Role of extracellular matrix in development of skeletal muscle and postmortem aging of meat. Meat Sci. 2015, 109, 48–55.
10. Tan, H.; Wu, B.; Li, C.P.; Mu, C.D.; Li, H.L.; Lin, W. Collagen cryogel cross-linked by naturally derived dialdehyde carboxymethyl cellulose. Carbohydr. Polym. 2015, 129, 17–24.
11. Lee, K.Y.; Mooney, D. J. Alginate: Properties and biomedical applications. Prog. Polym. Sci. 2012, 37, 106–126.
12. Russo, F.; D’Este, M.; Vadala, G.; Cattani, C.; Papalia, R.; Alini, M.; Denaro, V. Platelet Rich Plasma and Hyaluronic Acid Blend for the Treatment of Osteoarthritis: Rheological and Biological Evaluation. PLoS ONE 2016, 11.
13. Csoka, A.B.; Frost, G.I.; Stern, R. The six hyaluronidase-like genes in the human and mouse genomes. Matrix Biol. 2001, 20, 499–508.
14. Itano, N.; Sawai, T.; Yoshida, M.; Lenas, P.; Yamada, Y.; Imagawa, M.; Shinomura, T.; Hamaguchi, M.; Yoshida, Y.; Ohnuki, Y.; et al. Three isoforms of mammalian hyaluronan synthases have distinct enzymatic properties. J. Biol. Chem. 1999, 274, 25085–25092.
15. Aihara, S.; Murakami, N.; Ishii, R.; Kariya, K.; Azuma, Y.; Hamada, K.; Umemoto, J.; Maeda, S. Effects of Sodium Hyaluronate on the Nociceptive Response of Rats with Experimentally Induced Arthritis. Folia Pharmacol. Jpn. 1992, 100, 359–365.
16. Isa, I.L.; Srivastava, A.; Tiernan, D.; Owens, P.; Rooney, P.; Dockery, P.; Pandit, A. Hyaluronic Acid Based Hydrogels Attenuate Inflammatory Receptors and Neurotrophins in Interleukin-1beta Induced Inflammation Model of Nucleus Pulposus Cells. Biomacromolecules 2015, 16, 1714–1725.
17. Lopez, A.; Persson, C.; Hilborn, J.; Engqvist, H. Synthesis and characterization of injectable composites of poly [D,L-lactide-co-(epsilon-caprolactone)] reinforced with beta-TCP and CaCO ₃ for intervertebral disk augmentation. J. Biomed. Mater. Res. Part B 2010, 95, 75–83.
18. Fu, W.; Liu, Z.L.; Feng, B.; Hu, R.J.; He, X.M.; Wang, H.; Yin, M.; Huang, H.M.; Zhang, H.B.; Wang, W. Electrospun gelatin/PCL and collagen/PLCL scaffolds for vascular tissue engineering. Int. J. Nanomed. 2014, 9, 2335–2344.
19. Li, Z.B.; Tan, B. H. Towards the development of polycaprolactone based amphiphilic block copolymers: Molecular design, self-assembly and biomedical applications. Mater. Sci. Eng. C 2014, 45, 620–634.