vestnik-bio-msuВестник Московского университета. Серия 16. БиологияVestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya0137-0952Lomonosov Moscow State University, School of Biologyvestnik-bio-msu-492Research ArticleМетодыMethodsБИОРЕЗОРБИРУЕМЫЕ СКАФФОЛДЫ НА ОСНОВЕ ФИБРОИНА ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ КОСТНОЙ ТКАНИBIORESORBABLE SCAFFOLDS BASED ON FIBROIN FOR BONE TISSUE REGENERATIONКотляроваМ. С.KotliarovaM. S.

Кафедра биоинженерии

Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

аспирантка кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Тел.: 8-495-939-13-65

Department of Bioengineering

Leninskiye gory 1-12, Moscow, 119234, Russia

kotlyarova.ms@gmail.comАрхиповаА. Ю.ArkhipovaA. Yu.

межкафедральная лаборатория конфокальной микроскопии, биологический факультет

Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

канд. биол. наук, мл. науч. сотр. межкафедральной лаборатории конфокальной микроскопии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Тел.: 8-495-939-13-65

Laboratory of Confocal Microscopy, School of Biology

Leninskiye gory 1-12, Moscow, 119234, Russia

anastasia-yu-arkhipova@ya.ruМойсеновичА. М.MoysenovichA. M.

Кафедра биоинженерии

Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

аспирантка кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Тел.: 8-495-939-13-65

Department of Bioengineering

Leninskiye gory 1-12, Moscow, 119234, Russia

a-moisenovich@mail.ruКуликовД. А.KulikovD. A.

Россия, 129110, г. Москва, ул. Щепкина, д. 61/2, корп. 1

канд. мед. наук, уч. секретарь Московского областного научно- исследовательского клинического института имени М.Ф. Владимирского. Тел.: 8-495-681-93-90

Shchepkina ul. 61/2–1, Moscow, 129110, Russia

d.kulikov@monikiweb.ruКуликовА. В.KulikovA. V.

Россия, 142290, Московской обл., г. Пущино, ул. Институтская, д. 3

докт. биол. наук, зав. лабораторией клеточно-тканевых механизмов компенсации функций биообъектов Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН. Тел.: 8-496-773-91-94

Institutskaya ul. 3, Pushino, 142290, Moscow region, Russia

29.04.55@mail.ruКоньковА. С.Kon’kovA. S.

Кафедра биоинженерии

Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

соискатель кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Тел.: 8-495-939-59-65

Department of Bioengineering

Leninskiye gory 1-12, Moscow, 119234, Russia

andrey.s.konkov@gmail.comБобровМ. А.BobrovM. A.

Россия, 129110, г. Москва, ул. Щепкина, д. 61/2, корп. 1

науч. сотр. патологоанатомического отделения Московского областного научно-исследовательского клинического института имени М.Ф. Владимирского. Тел.: 8-495-631-74-22

Shchepkina ul. 61/2–1, Moscow, 129110, Russia

m.a.bobrov@yandex.ruАгаповИ. И.AgapovI. I.

Россия, 123182, г. Москва, ул. Щукинская, д. 1

докт. бил. наук, зав. лабораторией бионанотехнологий Федерального научного центра трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова. Тел.: 8-499-190-66-19

Shchukinskaya ul. 1, Moscow, 113182, Russia

igor_agapov@mail.ruМойсеновичМ. М.MoisenovichM. M.

межкафедральная лаборатория конфокальной микроскопии, биологический факультет

Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

канд. биол. наук, зав. межкафедральной лабораторией конфокальной микроскопии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Тел.: 8-495-939-13-65

Laboratory of Confocal Microscopy, School of Biology

Leninskiye gory 1-12, Moscow, 119234, Russia

mmoisenovich@mail.ruМолочковА. В.MolochkovA. V.

Россия, 129110, г. Москва, ул. Щепкина, д. 61/2, корп. 1

докт. мед. наук, проф. кафедры дерматовенерологии и дерматоонкологии, зам. директора по науке и международным связям Московского областного научно-исследовательского клинического института имени М.Ф. Владимирского. Тел.: 8-495-681-55-85

Shchepkina ul. 61/2–1, Moscow, 129110, Russia

a.molochkov@monikiweb.ruГончаренкоА. В.GoncharenkoA. V.

межкафедральная лаборатория конфокальной микроскопии, биологический факультет

Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

канд. биол. наук, вед. науч. сотр. межкафедральной лаборатории конфокальной микроскопии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова. Тел.: 8-495-939-13-65

Laboratory of Confocal Microscopy, School of Biology

Leninskiye gory 1-12, Moscow, 119234, Russia

pylaevanna@gmail.comШайтанК. В.ShaitanK. V.

Кафедра биоинженерии

Россия, 119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

докт. физ.-мат. наук, проф. кафедры биоинженерии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8-495-939-23-74

Department of Bioengineering

Leninskiye gory 1-12, Moscow, 119234, Russia

shaytan49@ya.ruМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationМосковский областной научно-исследовательский клинический институт имени М.Ф. ВладимирскогоРоссияM.F. Vladimirsky Moscow Regional Research and Clinical InstituteRussian FederationИнститут теоретической и экспериментальной биофизики РАНРоссияInstitute of Theoretical and Experimental Biophysics of Russian. Academy of SciencesRussian FederationФедеральный научный центр трансплантологии и искусственных органов имени академика В.И. Шумакова Минздрава РоссииРоссияAcademician V.I. Shumakov Federal Research Center of Transplantology and Artificial Organs, Ministry of Health of the Russian FederationRussian Federation201720102017724222228Copyright © Котлярова М.С., Архипова А.Ю., Мойсенович А.М., Куликов Д.А., Куликов А.В., Коньков А.С., Бобров М.А., Агапов И.И., Мойсенович М.М., Молочков А.В., Гончаренко А.В., Шайтан К.В., 20172017Котлярова М.С., Архипова А.Ю., Мойсенович А.М., Куликов Д.А., Куликов А.В., Коньков А.С., Бобров М.А., Агапов И.И., Мойсенович М.М., Молочков А.В., Гончаренко А.В., Шайтан К.В.Kotliarova M.S., Arkhipova A.Y., Moysenovich A.M., Kulikov D.A., Kulikov A.V., Kon’kov A.S., Bobrov M.A., Agapov I.I., Moisenovich M.M., Molochkov A.V., Goncharenko A.V., Shaitan K.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik-bio-msu.elpub.ru/jour/article/view/492

Использование тканеинженерных конструкций на основе скаффолдов, имитирующих внеклеточный матрикс живой ткани, открывает новые возможности в лечении различных патологий и травм, связанных с повреждениями тканей и органов. Фиброин шёлка тутового шелкопряда Bombyx mori является биосовместимым, биорезорбируемым полимером, обладающим высокой механической прочностью и эластичностью, что позволяет создавать на его основе скаффолды для регенерации различных тканей, в том числе костной. В представленной работе были получены фиброиновые скаффолды в виде пористых губок, плёнок и гибридных скаффолдов, представляющих из себя бислойные конструкции, в которых трёхмерная структура, свойственная скаффолдам в виде губки, ограничена с одной стороны плёнкой. Были исследованы структура скаффолдов и их биосовместимость: показано, что иммортализованные и первичные фибробласты, а также остеобластоподобные клетки успешно прикрепляются к поверхности исследованных скаффолдов и пролиферируют на ней. В экспериментах in vivo на модели дефекта бедренной кости крысы через четыре недели после имплантации пористого фиброинового скаффолда в области имплантата наблюдались многочисленные очаги остеогенеза, что свидетельствует об остеокондукции скаффолдов.

The use of tissue-engineering constructs based on scaffolds that imitate the extracellular matrix of living tissue unveils new opportunities in the treatment of various pathologies and injuries associated with tissue and organ damage. Silk fibroin of silkworm Bombyx mori is a biocompatible and bioresorbable polymer with high mechanical strength and elasticity. These features allow creating scaffolds on its basis for regeneration of various tissues,  including bone tissue. In the present work fibroin scaffolds were obtained in form of porous sponges, films and hybrid scaffolds. The last ones are bilayer structures in which the porous sponges intrinsic three-dimensional structure is limited on the one side by the film. The structure of scaffolds and their biocompatibility was studied. The tests showed that immortalized and primary fibroblasts, as well as osteoblast-like cells, successfully adhere and proliferate on the surface of the studied scaffolds. Numerous osteogenesis foci were observed in the implant region in the in vivo experiments on the rat femoral bone defect model four weeks after the implantation of the fibroin porous scaffold. These results indicate the osteoconduction of the scaffolds.

регенерациякостные заменителимодель костного дефектафиброинскаффолдытканевая инженерияregenerationbone substitutesbone defect modelfibroinscaffoldstissue engineeringReferencesAlbrektsson T., Johansson C. Osteoinduction, osteoconduction and osseointegration // Eur. Spine J. 2001. Vol. 10, suppl. 2. P. S96–S101.Albrektsson T., Johansson C. Osteoinduction, osteoconduction and osseointegration // Eur. Spine J. 2001. Vol. 10, suppl. 2. P. S96–S101.Schroeder J.E., Mosheiff R. Tissue engineering approaches for bone repair: concepts and evidence // Injury. 2011. Vol. 42. N 6. P. 609–613.Schroeder J.E., Mosheiff R. Tissue engineering approaches for bone repair: concepts and evidence // Injury. 2011. Vol. 42. N 6. P. 609–613.Fillingham Y., Jacobs J. Bone grafts and their substitutes // Bone Joint J. 2016. Vol. 98, suppl. A. P. 6–9.Fillingham Y., Jacobs J. Bone grafts and their substitutes // Bone Joint J. 2016. Vol. 98, suppl. A. P. 6–9.Miron R.J., Zhang Y.F. Osteoinduction: a review of old concepts with new standards. // J. Dent. Res. 2012. Vol. 91. N 8. P. 736–744.Miron R.J., Zhang Y.F. Osteoinduction: a review of old concepts with new standards. // J. Dent. Res. 2012. Vol. 91. N 8. P. 736–744.Laurencin C., Khan Y., El-Amin S.F. Bone graft substitutes // Expert Rev. Med. Devices. 2006. Vol. 3. N 1. P. 49–57.Laurencin C., Khan Y., El-Amin S.F. Bone graft substitutes // Expert Rev. Med. Devices. 2006. Vol. 3. N 1. P. 49–57.Wu S., Liu X., Yeung K.W.K., Liu C., Yang X. Biomimetic porous scaffolds for bone tissue engineering // Mater. Sci. Eng. R. Rep. 2014. Vol. 80. P. 1–36.Wu S., Liu X., Yeung K.W.K., Liu C., Yang X. Biomimetic porous scaffolds for bone tissue engineering // Mater. Sci. Eng. R. Rep. 2014. Vol. 80. P. 1–36.Melke J., Midha S., Ghosh S., Ito K., Hofmann S. Silk fibroin as biomaterial for bone tissue engineering // Acta Biomater. 2016. Vol. 31. P. 1–16.Melke J., Midha S., Ghosh S., Ito K., Hofmann S. Silk fibroin as biomaterial for bone tissue engineering // Acta Biomater. 2016. Vol. 31. P. 1–16.Bagrov D., Zhuikov V., Chudinova Y., Yarisheva A., Kotlyarova M., Arkhipova A., Khaydapova D., Moisenovich M., Shaitan K. Mechanical properties of films and three- dimensional scaffolds made of fibroin and gelatin // Biophysics. 2017. Vol. 62. N 1. P. 17–23.Bagrov D., Zhuikov V., Chudinova Y., Yarisheva A., Kotlyarova M., Arkhipova A., Khaydapova D., Moisenovich M., Shaitan K. Mechanical properties of films and three- dimensional scaffolds made of fibroin and gelatin // Biophysics. 2017. Vol. 62. N 1. P. 17–23.Orlova A.A., Kotlyarova M.S., Lavrenov V.S., Volkova S.V, Arkhipova A.Y. Relationship between gelatin concentrations in silk fibroin-based composite scaffolds and adhesion and proliferation of mouse embryo fibroblasts // Bull. Exp. Biol. Med. 2014. Vol. 158. N 1. P. 88–91.Orlova A.A., Kotlyarova M.S., Lavrenov V.S., Volkova S.V, Arkhipova A.Y. Relationship between gelatin concentrations in silk fibroin-based composite scaffolds and adhesion and proliferation of mouse embryo fibroblasts // Bull. Exp. Biol. Med. 2014. Vol. 158. N 1. P. 88–91.Moisenovich M.M., Kulikov D.A., Arkhipova A.Y., Malyuchenko N.V, Kotlyarova M.S., Goncharenko A.V., Kulikov A.V, Mashkov A.E., Agapov I.I., Paleev F.N., Svistunov A.A., Kirpichnikov M.P. Fundamental bases for the use of silk fibroin- based bioresorbable microvehicles as an example of skin regeneration in therapeutic practice // Ter. Arkh. 2015. Vol. 87. N 12. P. 66–72.Moisenovich M.M., Kulikov D.A., Arkhipova A.Y., Malyuchenko N.V, Kotlyarova M.S., Goncharenko A.V., Kulikov A.V, Mashkov A.E., Agapov I.I., Paleev F.N., Svistunov A.A., Kirpichnikov M.P. Fundamental bases for the use of silk fibroin- based bioresorbable microvehicles as an example of skin regeneration in therapeutic practice // Ter. Arkh. 2015. Vol. 87. N 12. P. 66–72.Huang Y., Ren J., Ren T., Gu S., Tan Q., Zhang L., Lv K., Pan K., Jiang X. Bone marrow stromal cells cultured on poly (lactide-co-glycolide)/nano-hydroxyapatite composites with chemical immobilization of ARG-GLY-ASP peptide and preliminary bone regeneration of mandibular defect thereof // J. Biomed. Mater. Res. A. 2010. Vol. 95. N 4. P. 993–1003.Huang Y., Ren J., Ren T., Gu S., Tan Q., Zhang L., Lv K., Pan K., Jiang X. Bone marrow stromal cells cultured on poly (lactide-co-glycolide)/nano-hydroxyapatite composites with chemical immobilization of ARG-GLY-ASP peptide and preliminary bone regeneration of mandibular defect thereof // J. Biomed. Mater. Res. A. 2010. Vol. 95. N 4. P. 993–1003.Sheikh Z., Hamdan N., Ikeda Y., Grynpas M., Ganss B., Glogauer M. Natural graft tissues and synthetic biomaterials for periodontal and alveolar bone reconstructive applications: a review // Biomater. Res. 2017. Vol. 21, 9Sheikh Z., Hamdan N., Ikeda Y., Grynpas M., Ganss B., Glogauer M. Natural graft tissues and synthetic biomaterials for periodontal and alveolar bone reconstructive applications: a review // Biomater. Res. 2017. Vol. 21, 9Liao S., Wang W., Uo M., Ohkawa S., Akasaka T., Tamura K., Cui F., Watari F. A three- layered nano-carbonated hydroxyapatite/collagen/PLGA composite membrane for guided tissue regeneration // Biomaterials. 2005. Vol. 26. N 36. P. 7564–7571.Liao S., Wang W., Uo M., Ohkawa S., Akasaka T., Tamura K., Cui F., Watari F. A three- layered nano-carbonated hydroxyapatite/collagen/PLGA composite membrane for guided tissue regeneration // Biomaterials. 2005. Vol. 26. N 36. P. 7564–7571.Liao S., Yokoyama A., Zhu Y., Watari F., Ramakrishna S., Chan C.K. In vitro and in vivo behaviors of the threelayered nanocarbonated hydroxyapatite/collagen/PLGA composite // J. Bioact. Compat. Polym. 2010. Vol. 25. N 2. P. 154–168.Liao S., Yokoyama A., Zhu Y., Watari F., Ramakrishna S., Chan C.K. In vitro and in vivo behaviors of the threelayered nanocarbonated hydroxyapatite/collagen/PLGA composite // J. Bioact. Compat. Polym. 2010. Vol. 25. N 2. P. 154–168.Zhang W., Zhu C., Ye D., Xu L., Zhang X., Wu Q., Zhang X., Kaplan D.L., Jiang X. Porous silk scaffolds for delivery of growth factors and stem cells to enhance bone regeneration. // PLoS One. 2014. Vol. 9. N 7. e102371.Zhang W., Zhu C., Ye D., Xu L., Zhang X., Wu Q., Zhang X., Kaplan D.L., Jiang X. Porous silk scaffolds for delivery of growth factors and stem cells to enhance bone regeneration. // PLoS One. 2014. Vol. 9. N 7. e102371.Muraev A.A., Bonartsev A.P., Gazhva Yu.V. et. al. Development and preclinical studies of orthotopic bone implants based on a hybrid construction from poly (3-hydroxybutyrate) and sodium alginate // Sovrem. Technol. Med. 2016. Vol. 8. N 4. P. 42–49.Muraev A.A., Bonartsev A.P., Gazhva Yu.V. et. al. Development and preclinical studies of orthotopic bone implants based on a hybrid construction from poly (3-hydroxybutyrate) and sodium alginate // Sovrem. Technol. Med. 2016. Vol. 8. N 4. P. 42–49.Polo-Corrales L., Latorre-Esteves M., Ramirez-Vick J.E. Scaffold design for bone regeneration // J. Nanosci. Nanotechnol. 2014. Vol. 14. N 1. P. 15–56.Polo-Corrales L., Latorre-Esteves M., Ramirez-Vick J.E. Scaffold design for bone regeneration // J. Nanosci. Nanotechnol. 2014. Vol. 14. N 1. P. 15–56.Costa-Almeida R., Soares R., Granja P.L. Fibroblasts as maestros orchestrating tissue regeneration // J. Tissue Eng. Regen. Med. 2017. DOI: 10.1002/term.2405.Costa-Almeida R., Soares R., Granja P.L. Fibroblasts as maestros orchestrating tissue regeneration // J. Tissue Eng. Regen. Med. 2017. DOI: 10.1002/term.2405.Akhmanova M., Osidak E., Domogatsky S., Rodin S., Domogatskaya A. Physical, spatial, and molecular aspects of extracellular matrix of in vivo niches and artificial scaffolds relevant to stem cells research // Stem Cells Int. 2015. Vol. 2015. Article ID 167025.Akhmanova M., Osidak E., Domogatsky S., Rodin S., Domogatskaya A. Physical, spatial, and molecular aspects of extracellular matrix of in vivo niches and artificial scaffolds relevant to stem cells research // Stem Cells Int. 2015. Vol. 2015. Article ID 167025.Tseng P.C., Young T.H., Wang T.M., Peng H.W., Hou S.M., Yen M.L. Spontaneous osteogenesis of MSCs cultured on 3D microcarriers through alteration of cytoskeletal tension // Biomaterials. 2012. Vol. 33. N 2. P. 556–564.Tseng P.C., Young T.H., Wang T.M., Peng H.W., Hou S.M., Yen M.L. Spontaneous osteogenesis of MSCs cultured on 3D microcarriers through alteration of cytoskeletal tension // Biomaterials. 2012. Vol. 33. N 2. P. 556–564.Goncharenko A.V, Malyuchenko N.V, Moisenovich A.M., Kotlyarova M.S., Arkhipova A.Y., Kon’kov A.S., Agapov I.I., Molochkov A. V, Moisenovich M.M., Kirpichnikov M.P. Changes in morphology of actin filaments and expression of alkaline phosphatase at 3D cultivation of MG-63 osteoblast-like cells on mineralized fibroin scaffolds // Dokl. Biochem. Biophys. 2016. Vol. 470. N 1. P. 368–370.Goncharenko A.V, Malyuchenko N.V, Moisenovich A.M., Kotlyarova M.S., Arkhipova A.Y., Kon’kov A.S., Agapov I.I., Molochkov A. V, Moisenovich M.M., Kirpichnikov M.P. Changes in morphology of actin filaments and expression of alkaline phosphatase at 3D cultivation of MG-63 osteoblast-like cells on mineralized fibroin scaffolds // Dokl. Biochem. Biophys. 2016. Vol. 470. N 1. P. 368–370.Oryan A., Alidadi S., Moshiri A., Maffulli N. Bone regenerative medicine: classic options, novel strategies, and future directions // J. Orthop. Surg. Res. 2014. Vol. 9, 18.Oryan A., Alidadi S., Moshiri A., Maffulli N. Bone regenerative medicine: classic options, novel strategies, and future directions // J. Orthop. Surg. Res. 2014. Vol. 9, 18.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.