Функционализация кальцийфосфатных и композиционных материалов биологически активными соединениями для адресной доставки в костную ткань

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель исследования. Разработка способа функционализации биоматериалов: октакальциевого фосфата (ОКФ) и минерал-полимерного композиционного материала (альгинат натрия / желатин / ОКФ), биоактивными соединениями лизата тромбоцитов (ЛТ) человека и ванкомицином методом биомиметического осаждения.

Материалы и методы. Функционализацию ОКФ в виде гранул и минерал-полимерного композиционного матрикса (альгинат натрия / желатин / ОКФ) осуществляли методом инкорпорации в процессе биомиметического осаждения фосфатов кальция на их поверхность. Поверхность материалов исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии, эффективность функционализации определяли по изменению концентрации инкорпорируемых соединений в растворе, а также с помощью изучения динамики их высвобождения в течение 8 сут спектрофотометрическим и иммуноферментным методами. Антимикробную активность функционализированных ванкомицином образцов оценивали in vitro диско-диффузионным методом в отношении дикого штамма Staphylococcus aureus.

Результаты. Исследование динамики высвобождения инкорпорированных соединений показало, что функционализация ОКФ ванкомицином более эффективна, чем ЛТ. Выход антибиотика сохранялся в течение 3 сут, тогда как факторов роста ЛТ — в течение 30 мин. При инкорпорации антибиотика в композиционный матрикс полное высвобождение препарата происходило за 24 ч. В исследовании in vitro установлено, что материалы вызывают задержку роста штамма Staphylococcus aureus, выраженность которой зависела от содержания антибиотика в экспериментальных образцах.

Заключение. С помощью разработанного метода инкорпорации лекарственных препаратов в процессе биомиметического осаждения был получен композиционный состав с антибактериальными свойствами, позволяющий осуществить адресную доставку ванкомицина непосредственно в зону костного дефекта.

Об авторах

Екатерина Алексеевна Кувшинова

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Автор, ответственный за переписку.
Email: beliay@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4331-239X
SPIN-код: 5228-5640
Scopus Author ID: 56736479200

младший научный сотрудник

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Наталия Валерьевна Петракова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук»

Email: petrakova.nv@mail.ru

канд. техн. наук, научный сотрудник

Россия, 119334 г. Москва, Ленинский проспект, 49

Наталья Сергеевна Сергеева

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: prognoz.06@mail.ru

д-р биол. наук, профессор, руководитель отделения

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Ирина Константиновна Свиридова

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: prognoz.06@mail.ru

канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Валентина Александровна Кирсанова

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: prognoz.06@mail.ru

канд. биол. наук, научный сотрудник

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Сурая Абдулаевна Ахмедова

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: prognoz.06@mail.ru

канд. биол. наук, научный сотрудник

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Павел Анатольевич Каралкин

Московский научно-исследовательский онкологический институт имени П.А. Герцена — филиал Федерального государственного бюджетного учреждения «Национальный медицинский исследовательский центр радиологии» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Email: pkaralkin@gmail.com

канд. биол. наук, старший научный сотрудник

Россия, 125284, Москва, 2-й Боткинский пр., 3

Анастасия Юрьевна Тетерина

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук»

Email: kinskusha@mail.ru

канд. технич. наук, младший научный сотрудник

Россия, 119334 г. Москва, Ленинский проспект, 49

Владимир Сергеевич Комлев

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук»

Email: komlev@mail.ru

д-р технич. наук, чл.-кор. РАН

Россия, 119334 г. Москва, Ленинский проспект, 49

Список литературы

  1. Баринов С.М., Комлев В.С. Биокерамика на основе фосфатов кальция. — М.: Наука, 2014. [Barinov SM, Komlev VS. Calcium phosphate based bioceramics. Moscow: Nauka; 2014. (In Russ.).]
  2. Cancedda R, Dozin B, Giannoni P, Quarto R. Tissue engineering and cell therapy of cartilage and bone. Matrix Biol. 2003;22(1):81-91. https://doi.org/10.1016/s0945-053x(03)00012-x.
  3. Tang Z, Li X, Tan Y, et al. The material and biological characteristics of osteoinductive calcium phosphate ceramics. Regen Biomat. 2018;5(1):43-59. https://doi.org/10.1093/rb/rbx024.
  4. Dorozhkin SV. Multiphasic calciumorthophosphate (CaPO4) bioceramics and theirbiomedicalapplications. Review paper. Ceram Int. 2016;42(6):6529-6554. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2016.01.062.
  5. Bouler JM, Pilet P, Gauthier O, Verron E. Biphasic calcium phosphate ceramics for bone reconstruction: a review of biological response. Acta Biomaterialia. 2017;53:1-12. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2017.01.076.
  6. Wang Z, Xiao ZW, Fan HS. Fabrication of micro-grooved patterns on hydroxyapatite ceramics and observation of earlier response of osteoblasts to the patterns. J Inorg Mat. 2013;28(1):51-57. https://doi.org/10.3724/SP.J.1077.2013.12093.
  7. Ridi F, Meazzini I, Castroflorio B, et al. Functional calcium phosphate composites in nanomedicine. Adv Colloid Interface Sci. 2017;244:281-295. https://doi.org/10.1016/j.cis.2016.03.006.
  8. Stapleton M, Sawamoto K, Alméciga-Díaz CJ, et al. Development of bone targeting drugs. Review. Int J Mol Sci. 2017;18(7):1345. https://doi.org/10.3390/ijms18071345.
  9. Barrere F, Layrolle P, van Blitterswijk CA, de Groot K. Biomimetic coatings on titanium: a crystal growth study of octacalcium phosphate. J Mater Sci: Mater Med. 2001;12:529-534. https://doi.org/10.1023/a:1011271713758.
  10. Lu X, Leng Y. Theoretical analysis of calcium phosphate precipitation in simulated body fluid. Biomater. 2005;26:1097-1108. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.05.034.
  11. Forsgren J, Brohede U, Stromme M, Engqvist H. Co-loading of bisphosphonates and antibiotics to a biomimetic hydroxyapatite coating. Biotechnol Lett. 2011;33:1265-1268. https://doi.org/10.1007/s10529-011-0542-7.
  12. Kazemzadeh-Narbat M, Lai BFL, Ding C, et al. Multilayered coating on titanium for controlled release of antimicrobial peptides for the prevention of implant-associated infections. Biomater. 2013;34(24):5969-5977. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2013.04.036.
  13. Lin X, de Groot K, Wang D, et al. A review paper on biomimetic calcium phosphate coatings. Open Biomed Eng J. 2015;9(Suppl 1-M4):56-64. https://doi.org/10.2174/1874120701509010056.
  14. Yu X, Wei M. Preparation and evaluation of parathyroid hormone incorporated CaP coating via a biomimetic method. J Biomed Mater Res. Pt B: Appl Biomat. 2011;97B(2):345-354. https://doi.org/10.1002/jbm.b.31820.
  15. Кувшинова E.A., Петракова Н.В., Сергеева Н.С., и др. Функционализация кальцийфосфатных материалов биологически активными соединениями белковой природы. Biomedical Chemistry: Research and Methods. 2019;2(3):e00096. [Kuvshinova EA, Petrakova NV, Sergeeva NS, et al. The functionalization of calcium phosphate materials of protein-based biologically active molecules. Biomedical Chemistry: Research and Methods. 2019;2(3):e00096. (In Russ.)] https://doi.org/10.18097/bmcrm00096.
  16. Комлев В.С., Федотов А.Ю. Способ получения керамики на основе октакальциевого фоcфата. Патент на изобретение РФ RU 2596504 C1; 2014. [Komlev VS, Fedotov AYu. Method of producing ceramic based on octacalcium phosphate (OCP). Patent RU 2596504 C1; 2014. (In Russ.)]
  17. Komlev VS, Sergeyeva NS, Fedotov AY, et al. Investigation of physicochemical and biological properties of composite matrices in a alginate-calcium phosphate system intended for use in prototyping technologies during replacement of bone defects. Inorg Mater: Appl Resh. 2016;7(4):630-634. https://doi.org/10.1134/S2075113316040158.
  18. Каралкин П.А., Сергеева Н.С., Комлев В.С., и др. Биосовместимость и остеопластические свойства минерал-полимерных композиционных материалов на основе альгината натрия, желатина и фосфатов кальция, предназначенных для трехмерной печати костнозамещающих конструкций. Гены и клетки. 2016;11(3):1-8. [Karalkin PA, Sergeeva NS, Komlev VS, et al. Biocompatibility and osteoplastic properties of mineral polymer composite materials based on sodium alginate, gelatin, and calcium phosphates intended for 3D-printing of the constructions for bone replacement. Genes and cells. 2016;11(3):1-8. (In Russ.)]
  19. Petrakova NV, Kuvshinova EA, Ashmarin AA, et al. Calcium phosphate ceramic surface coating via precipitation approach. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019;525:012101. https://doi.org/10.1088/1757-899X/525/1/012101.
  20. Сергеева Н.С., Шанский Я.Д., Свиридова И.К., и др. Биологические эффекты тромбоцитарного лизата при добавлении в среду культивирования клеток человека. Гены и клетки. 2014;9(1):77-85. [Sergeeva NS, Shansky YaD, Sviridova IK, et al. Biological effects of platelet lysate added to cultural medium of human cells. Genes and cells. 2014;9(1):77-85. (In Russ.)]
  21. Шанский Я.Д., Сергеева Н.С., Свиридова И.К., и др. Исследование лизата тромбоцитов человека как перспективной ростовой добавки для культивирования стволовых и других типов клеток. Клеточные технологии в биологии и медицине. 2013;3:153-158. [Shansky YaD, Sergeeva NS, Sviridova IK, et al. Study of human platelet lysate as a promising growth additive for the cultivation of stem and other types of cells. Kletochnyye tekhnologii v biologii i meditsine. 2013;3:153-158. (In Russ.)]
  22. Ferraro MJ. Performance standards for antimicrobial susceptibility testing: Ninth informational supplement. NCCLS document M100-S9. 1999;19(1):104.
  23. Methods for the determination of susceptibility of bacteria to antimicrobial agents. EUCAST Definitive document. Clin Microbiol Infect. 1998;4:291-296.
  24. Stigter M, Bezemer J, de Groot K, Layrolle P. Incorporation of different antibiotics into carbonated hydroxyapatite coatings on titanium implants, release and antibiotic efficacy. J Controll Release. 2004;99(1):127-137. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2004.06.011.
  25. Комлев В.С., Федотов А.Ю., Тетерина А.Ю. и др. Способ получения композиционного трехмерного каркаса для замещения костно-хрящевых дефектов. Патент на изобретение РФ RU 2606041 C2; 2017. [Komlev VS, Fedotov AYu, Teterina AYu, et al. Method of producing composite 3D frame for replacement of bone-cartilage defects. Patent RU 2606041 C2; 2017. (In Russ.)]
  26. Komlev VS, Barinov SM, Bozo II, et al. Bioceramics composed of octacalcium phosphate demonstrate enhanced biological behavior. ACS Appl Mater Interfaces. 2014;6:16610-16620. https://doi.org/10.1021/am502583p.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Динамика выхода общего белка лизата тромбоцитов из октакальциевого фосфата при инкорпорации в 10 % (кривая 1) и 20 % (кривая 2) растворе лизата тромбоцитов

Скачать (103KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Динамика выхода ванкомицина из октакальциевого фосфата при инкорпорации в растворах с исходной концентрацией антибиотика 8,0 мг/мл (кривая 1) и 16,0 мг/мл (кривая 2)

Скачать (110KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микрофотографии поверхности исходного композиционного материала: а — ув. ×250, b — ув. ×5000; материала с модифицированной поверхностью: с — ув. ×5000

Скачать (234KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Динамика выхода ванкомицина из композиционного матрикса при инкорпорации в растворах с исходной концентрацией 5,0 мг/мл (кривая 1) и 50,0 мг/мл (кривая 2)

Скачать (112KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зоны подавления бактериального роста: a — контрольными образцами (нефункционализированные матриксы), 0–5 мм; b — функционализированными образцами, содержащими 0,1 мг/мг ванкомицина, 16,0 мм; c — функционализированными образцами, содержащими 2,0 мг/мл ванкомицина, 20,0 мм

Скачать (308KB)
Метаданные

© ООО "Эко-Вектор", 2020



Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).