Genes & CellsGenes & CellsГены и КлеткиGenes and Cells2313-18292500-2562Human Stem Cells Institute225856Original Study ArticlesОригинальные исследованияResearch ArticleCellular Matrix Made of Resorbed PolyhydroxialkanoatsКлеточные матриксы из резорбируемых полигидроксиалканоатовShishatskayaE. I.ШишацкаяЕ. И.
Russian Federation

Laboratory of hemoautotrophic biosynthesis

Лаборатория хемоавтотрофного биосинтеза

shishatskaya@inbox.ruInstitute of Biophysics, Siberian Branch of RASИнститут биофизики СО РАН1506200722687512022023Copyright ©; 2023, Eco-VectorCopyright ©; 2023, Эко-Вектор2023Eco-VectorЭко-Векторhttps://genescells.ru/2313-1829/article/view/225856

The article presents the results of a study of resorbed polyhydroxialkanoats (linear polyesters of microbiologic origin) aptitude for different cellular matrix development. ln the experiment samples of high-purity polyhydroxialkanoats produced by Ralstonia eutropha B 5786 bacteria were used. A technology to produce polyhydroxialkanoats of various chemical structures is developed in the Institute of Biophysics of the Siberian branch of the Russian Academy of Sciences. Using polyhydroxialkanoats in different phase states (solutions, emulsions, powder) a structure and properties of two- and tree-dimentional matrix such as flexible transparent slick, membrane, fine fibres, microparticles, sponge, volumetric solid and porous structures are produced and studied. The matrix can be sterilized with standard methods without changing its structure, stability loss or adhesion quality deterioration as well as its fitness for growing cells in vitro. Matrix biocompatibility was assessed in cultures of fibroblasts, hepatocytes, endothelial cells and osteoblasts in vitro. Microscopy, inter vivos/alive staining with tripan blue, detection of protein and ONA synthesis by cells being cultured, as well as MMT have not shown polyhydroxialkanoat matrix to be cytotoxic in a direct contact with any type of cells used. The data obtained allow to recommend polyhydroxialkanoats - new type of thermpstable, biocompatible and resorbed polyester - for development of different constructions for cellular therapy and tissue engineering.

Представлен обзор результатов исследования пригодности резорбируемых полигидроксиалканоатов (ПГА) - линейных полиэфиров микробиологического происхождения - для разработки клеточных матриксов различного типа. Использованы высокоочищенные образцы ПГА, полученные в Институте биофизики СО РАН, синтезированные бактериями Ralstonia eutropha B5786 по технологии, обеспечивающей получение ПГА различной химической структуры. С использованием ПГА в различных фазовых состояниях (растворы, эмульсии, порошки) получены и изучены структура и свойства дву- и трехмерных матриксов в виде гибких прозрачных пленок, мембран, ультратонких волокон, микрочастиц, губок, объемных плотных и пористых конструкций. Показана возможность использования общепринятых методов для стерилизации матриксов без изменения структуры, потери прочности и ухудшения адгезионных свойств поверхности и пригодность для выращивания клеток in vitro. На культурах фибробластов, гепатоцитов, клеток эндотелия и остеобластов исследована биосовместимость матриксов in vitro. С использованием микроскопии, прижизненного окрашивания клеток трипановым синим, определения синтеза белка и ДНК культивируемыми клетками, а также в тесте ММТ показано отсутствие цитотоксичности матриксов из ПГА при прямом контакте со всеми исследуемыми клетками. Полученные результаты позволяют рекомендовать ПГА - новый класс термостабильных, механически прочных, биосовместимых и резорбируемых полиэфиров, - для создания тканеинженерных конструкций различных типов, необходимых для клеточной и тканевой инженерии.

polyhydroxialkanoatstissue engineeringscaffoldsполигидроксиалканоатытканевая инженерияскаффолдыThe work was supported by the Russian Foundation for Basic Research 05-04-49310a and Federal Target Program "Research and development in priority areas of development of the scientific and technological complex of Russia for 2007-2012" GK No. 02.512.11.2060. The work was supported financially by the Program of the Presidium of the Russian Academy of Sciences " Fundamental Sciences for Medicine” (project 12.5), the Program of Interdisciplinary Integration Projects of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (project No. 14), the Program of the President of the Russian Federation to Support Young Candidates of Sciences (grant No. MK-4149.2006), the American Civilian Research and Development Foundation (CRDF) and Ministry of Education and Science of the Russian Federation (grant No. BPM002).Работа выполнена при финансовой поддержке Программы Президиума РАН «Фундаментальные науки - медицине» (проект 12,5), Программы междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН (проект № 14), Программы Президента РФ для поддержки молодых кандидатов наук (грант №МК-4149.2006), Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF) и Министерства образования и науки РФ (грант №BPМ002).Shih H.N., Fang J.F., Chen J.H. et al. Reduction in experimental peridural adhesion with the use of crosslinked hyaluronate/collagen membrane. J. Biomed. Mater. Res. 2004; 71B: 421-8.Wang M., Chen L.J., Weng J. et al. Manufacture and evaluation of bioactive and biodegradable materials ans scaffolds for tissue engineering. J. Mater. Sci.: Materials in Medicine 2002; 12: 856-60.Kokubo T., Kim H., Kawashita M. Novel bioactive materials with different machanical properties. Biomaterials 2003; 24: 2161-5.Shin H., Jo S., Mikos A.G. Biomimetic materials for tissue engineering. Biomaterials 2003; 24: 4353-64.Amass W., Amass A., Tighe B. A Review of Biodegradale Polymers: Uses, Current Developments in the Synthesis and Characterization of Biodegradable Polyesters, Blends of Biodegradable Polymers and Recent Advances in Biodegradation Studies. Polym. Int. 1998; 47: 89-144.Sudesh K., Abe H., Doi Y. Synthesis, structure and properties of polyhydroxyalkanoates: biological polyesters. Prog. Polym. Sci. 2000; 25:1503-55.Asrar J., Gruys K.J. Biodegradable Polymer (Biopol®). In: Doi Y., Steinbschel A., editors. Biopolymers. Weinheim: Wiley - VCH; 2002: 4; 53-90.Martin D.P., Williams S.F. Medical application of poly-4-hydroxybutyrate: a strong flexible absorbable biomaterial. Biochem. Engineering J. 2006;16: 97-105.Hasirci V., Vrana E., Zorlutuna P. et al. Nanobiomaterials: a review of the existing science and technology, new approaches. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2006; 17: 1241-68.Sodian R., Hoerstrup S.P., Sperling J.S. et al. Tissue engineering of heart valves: in vitro experiences. The Annal. Thorac. Surg. 2000; 70:140-4.Hoerstrup S.P., Sodian R., Dzebris S. et al. Functional trileflet heart valves grown in vitro. Circulation 2000; 102: 44-9.Stock U., Nagashima M., Khalil P.N. et al. Tissue-engineered valved conduits in the pulmonary circulation. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 2000; 119: 732-40.Tsresin F., Gsrsel I., Hasirci V. Biodegradable polyhydroxyalkanoate implants for osteomyelitis therapy: in vitro antibiotic release. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2001; 12: 195-207.Korkusuz F., Korkusaz P., Eksioglu F., et al. In vivo response to controlled antibiotic release systems. J. Biomed. Mater. Res. 2001; 55: 217-28.Волова Т.Г., Калачева Г.С. Способ получения полимера р-оксимасляной кислоты. Патент РФ № 2051967.1996Волова Т.Г., Калачева Г.С., Константинова В.М. Способ получения гетерополимера в-оксимасляной и в-оксивалериановой кислот. Патент РФ № 2051968. 1996.Волова Т.Г., Янголов О.В., Коновалов Н.М., Коханов Ю.Г. Способ культивирования водородокисляющихбактерий. Патент РФ № 2051962.1996.Отасишина Г.Т, Волова Т.Г. Штамм бактерий Alcaligenes eutrophus В5786 - продуцент. Патент РФ № 2053292.1996.Волова Т.Г., Гительзон И.И., Кузнецов Б.Н., Калачева Г.С., Шабанов В.Ф. Способ получения полимера р-оксимасляной кислоты» Патент РФ № 2207375. 2003.Войнов Н.А., Еременко Н.А. Пленочный аппарат. Патент РФ № 2260466. Бюлл. Изобретений 2005: 26.Торговая марка «БИОПЛАСТОТАН» Регистрационное свидетельство № 315652 Федерального института патентной экспертизы по заявке № 2006703271/50, приоритет от 15.02.2006. Классы МКТУ: 01,05,10.Волова Т.Г. Биосинтез на водороде. Новосибирск: Сибирское отделение РАН; 2004.Volova T.G. Microbial polyhydroxyalkanoates - plastic materials of the 21st century (biosynthesis, properties, applications). USA (NY): Nova Science Publishers Inc; 2004.Шабанов В.Ф., Кузнецов Б.Н., Щипко М.Л. и др. Фундаментальные основы комплексной переработки углей КАТЭК для получения энергии, синтез- газа и новых материалов с заданными свойствами. Новосибирск: Наука; 2005.Волова Т.Г., Севастьянов В.И., Шишацкая Е.И. Полиоксиалканоаты- биоразрушаемые полимеры для медицины. Красноярск: Платина; 2006.Севастьянов И.И., редактор. Биосовместимость. М: ИЦ ВНИИгеосистем; 1999.Thomson R.C., Mikos A.G., Beahm E. et al. Guided tissue fabrication from periosteum using preformed biodegradable polymer scaffolds. Biomaterials 1999; 20: 2007-18.Kim S., Park H., Han J., et al. Renal tissue reconstitution by the implantation of renal segments on biodegradable polymer scaffolds. Biotechnol. Lett. 2003; 25: 1505-8.Hu Y., Winn S.R., Krajbich I. et al. Porous polymer scaffolds surface modified with arginine-glycine-aspartic acid enhance bone cell attachment and differentiation in vitro. J. Biomed. Mater. Res. 2003; 64A: 583-90.Шишацкая Е.И., Еремеев А.В., Гительзон И.И. и др. Исследование цитотоксичности полиоксиалканоатов в культуре животных клеток. ДАН РАН 2000; 374: 561-4.Севастьянов В.И., Перова Н.В., Довжик И.А. и др. Медико-биологические свойства полиоксиалканоатов - биодеградируемых бактериальных полимеров. Перспективные материалы 2001; 5: 46-55.Шишацкая Е.И., Есимбекова Е.Н., Волова Т.Г. и др. Гигиеническая оценка полиоксиалканоатов - природных полиэфиров нового поколения. Гигиена и санитария 2002; 4: 59-63.Шишацкая Е.И., Волова Т.Г., Попова Т.Г. Исследование токсикологических свойств полиоксиалканоатов в хроническом эксперименте in vivo. Мед. техника 2002; 4: 29-32.Шишацкая Е.И., Волова Т.Г., Ефремов С.Н. и др. Реакция тканей на биодеградируемые шовные нити из полиоксиалканоатов. Мед. техника 2002; 4: 23-6.Шишацкая Е.И. Медико-биологические свойства биодеградируемых бактериальных полимеров полиоксиалканоатов для искусственных органов и клеточной трансплантологии: Автореф. дис. ... канд. мед. наук. М; 2003.Volova T.G., Shishatskaya E.I., Sevastianov V.I. et al. Results of biomedical investigations of PHB and PHB/PHV fibers. Biochemical Eng. J. 2003; 16:125-33.Sevastianov V.I., Perovа N.V., Shishatskaya E.I. et al. Production of purified polyhydroxyalkanoates (PHAs) for applications in contact with blood. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2003; 14:1029-42.Shishatskaya E.I., Volova T.G., Efremov S.N. et al. Tissue response to the implantation of biodegradable polyhydroxyalkanoate sutures. J. Mater. Sci.: Materials in medicine 2004; 15: 719-28.Shishatskaya E.I., Volova T.G. A comparative investigation of biodegradable polyhydroxyalkanoate films as matrices for in vitro cell cultures. J. Mater. Sci.: Materials in Medicine 2004; 15: 915-23.Шишацкая Е.И., Волова Т.Г., Гордеев С.А. и др. Биодеградация шовных нитей на основе полиоксиалканоатов в биологических средах. Перспективные материалы 2002; 2: 56-62.Shishatskaya E.I., Volova T.G., Gordeev S.A. et al. Degradation of P(3HB) and P(3HB-co-3HV) in biological media. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2005; 16: 643-57.Петраковская Э.А., Волова Т.Г., Иванов Ю.Н. и др. Исследование структурных и динамических особенностей твердого полиоксибутирата методами магнитного резонанса. ДАН РАН 1995; 344: 270-3.Волова Т.Г., Некрасов Ю.П., Шишацкая Е.И. и др. Характеристика изделий на основе полиоксиалканоатов - разрушаемых природных полиэфиров. Пластические массы 2003; 3: 6-8.Shishatskaya E.I., Chlusov I.A., Volova T.G. A hybrid PHA-hydroxyapatite composite for biomedical application: production and investigation. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2006; 17: 481-98.Шишацкая Е.И. Биосовместимые и функциональные свойства гибридного композита полигидроксибутират/гидроксиапатит. Вестник трансплантологии и искусственных органов 2006; 3:34-8.Волова Т.Г., Шишацкая Е.И., Гордеев С.А. Характеристика ультратонких волокон, полученных электростатическим формованием термопластичного полиэфира (поли(гидроксибутирата/гидросивалерата)). Перспективные материалы 2006; 3: 25-9.Шишацкая Е.И., Горева А. Микрочастицы из биорарушаемого полиоксибутирата в качестве матрикса для депонирования рубомицина. Перспективные материалы 2006; 4:65-70.Tesema Y., Raghavan D., Stubbs J. Bone cell viability on collagen immobilizated poly(3- hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) membrane effect of surface chemistry. J. Appl. Polym. Sci. 2004; 93: 2445-53.Grondahl L., Chandler-Temple A., Trau M. Polymeric Grafting of Acrylic Acid onto poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate): Surface Functionalization for Tissue Engineering Application. Biomacromol. 2005; 6: 2197-203.Egorova V.A., Nemets E.A., Krasheninnikov M.E. et al. Matrix on the basis of polyhydroxybutyrate copolymers for bioartificial tissues. In: Proceedings of Advanced Research Workshop (NATO Science Program) on Macromolecular Approaches to Advanced Biomaterials Engineering Systems; 2003 Nov 8-11; Sofia, Bulgaria. 2003:15.Севастьянов В.И., Егорова В.А., Немец Е.А. и др. Биодеградируемый биополимерный материал ЭластоПОБФ для клеточной трансплантации. Перспективные материалы 2004; 3: 35-41.Севастьянов В.И., Егорова В.А., Немец Е.А. и др. Медико-биологические свойства биодеградируемого материала ЭластоПОБФ. Вестник трансплантологии и искусственных органов 2004; 2: 47-52.Расулов М.Ф., Севастьянов В.И., Егорова В.А. и др. Сравнительное изучение динамики заживления глубоких ожоговых ран при использовании аллогенных фибробластоподобных мезенхимальных стволовых клеток костного мозга, иммобилизированных на биодеградируемых мембранах или снятых с культурального пластика. Патологич. физиол. и эксперим. терапия 2005; 2:20-3.Потапов И.В., Ильинский И.М., Севастьянов В.И. и др. Пленочные системы ЭластоПОБ с иммобилизованными стромальными клетками костного мозга оптимизируют регенерацию поврежденных тканей. Клеточные технологии в биологии и медицине 2005; 3: 151-57.Tezcaner A., Bugra K., Hasirci V. Retinal pigment epithelium cell culture on surface modified poly(xydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) thin films. Biomaterials 2003; 24: 4573-83.Степанов Е.И. Лазерная резка полимерных поверхностей. Дипломная работа бакалавра. Красноярский гополитехнический университет. 2005.Шишацкая Е.И., Гордеев С.А., Волова Т.Г. Исследование свойств полигидроксиалканоатов, перспективных для получения пористых матриц. Перспективные материалы 2004; 5: 40-4.Шишацкая Е.И., Горева А.Ю., Войнова О.Н. и др. Реакция тканей на имплантацию микрочастиц из резорбируемых полимеров при внутримышечном введении. Бюлл. эксперим. биологии и медицины 2007 (принята в печать).Jones N., Cooper J., Waters R. et al. Resorption profile and biological response of calcium phosphate filled PLLA and PHB7V. In: Agrawal C.M., Pacr J.E., Lin S.T., editors. Synthetic Bioabsorbable Polymers for Implants. Scranton: ASTM; 2000: 69-82.Hasirci V. Biodegradable biomedical polymers. In: Wise D.L., editor. Biomaterials and Bioengineering Handbook. New-York: Marcel Dekker; 2000:141-155.Turesin F., Gursel I., Hasirci V. Biodegradable polyhydroxyalkanoate implants for osteomyelitis therapy: in vitro antibiotic release. J. Biomater. Sci. Polym. Ed. 2001; 12: 195-207.