Статьи Все процедуры
Узнать цену
Задать вопрос
Личный кабинет

Применение гидрогелей в клеточной инкапсуляции и тканевой инженерии.

Этот раздел обсуждает in vitro и in vivo применения гидрогелей в тканевой инженерии хряща. Впоследствии будет рассмотрен обзор ключевых факторов, необходимых для комбинирования живых клеток с полимерами гидрогеля и экспериментальные применения гидрогелей. Инкапсуляция клеток внутри гидрогелей представляет собой уникальный метод изучения тканевой инженерии хряща. Раздел содержит обзор обычно используемых материалов, как для природных, так и для синтетических гидрогелей (табл. 3.1).
Таблица 3.1. Природные и синтетические полимеры, обычно используемые в синтезе гидрогелей (Peppas et al., 2000; Varghese and Elisseeff, 2006)
Природные гидрогели
Синтетические полимеры
гиалуроновая кислота
гидроксиэтил метакрилат
Hydroxyethyl methacrylate (HEMA)
хондроитин сульфат
метаоксиэтил метакрилат
Methoxyethyl methacrylate (MEMA)
матригель
А/-винил-2-пирролидон
A/-vinyl-2-pyrrolidone (NVP)
альгинат
АМсопропил Аам
AMsopropyl Aam (NIPAAm)
коллаген
акриловая кислота
Acrylic Acid (AA)
фибрин
полиэтиленгликоль акрилат
Poly(ethylene glycol) acrylate (PEGA)
хитозан
полиэтиленоксид диакрилат
Poly(ethylene oxide) diacrylate
шелк
полиэтиленгликоль диакрилат
(poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA))
желатин
поливинил алкоголь
Polyvinyl alcohol) (PVA)
агароза
полифумараты
Poly(fumarates)
декстран

Требования к инкапсуляции

Требования для инкапсуляции клеток в гидрогелях отличаются в опытах in vitro и in vivo. Потенциальный гидрогель должен соответствовать минимальным критериям для использования его в in vitro культуре: возможность поддерживать клеточную пролиферацию и фенотип, значительная пористость для желаемой клеточной плотности, а также для транспорта питательных веществ и метаболитов, и отсутствие токсичности самого материла, его приготовления и/или разрушения. In vivo операции требуют следующих качеств:
  • Отсутствие токсичных материалов и продуктов распада, которые могут нанести вред организму реципиента или отдельным клеткам.
  • Минимальный воспалительный и иммуногенный ответ на имплантируемый материал.
  • Значительная структурная целостность для поставленных задач (подкожные имплантанты по сравнению с суставными заменами хряща).

Применение инкапсуляции клеток в гидрогели

Опыты in vitro

Подложки из гидрогелей играют несколько важных ролей в in vitro исследованиях по тканевой инженерии. Например, гидрогели, используемые для формирования контролируемого внеклеточного окружения для изучения объемных взаимодействий «клетка-клетка» и «клетка-матрикс». Для построения и синтеза конструируемых тканей со специфическими свойствами необходимо детальное знание взаимодействий клеток с другими клетками, биоактивными факторами и их микроокружением. Было отмечено, что некоторые типы клеток ( хондроциты ) дифференцируются в двумерной культуре ( von der Mark et al., 1977; Benya and Shaffer, 1982 ), в то время как сохранение их фенотипа поддерживается в объемной культуре ( Homicz et al., 2003 ). Действительно, существует интерес к объемным культурам человеческих хондроцитов, чтобы в дальнейшем использовать их в аутологичной трансплантации. При этом можно избежать или обратить дедифференцировку, наблюдаемую при культивировании в монослое ( Homicz et al., 2003 ).
Для улучшения генерации тканей гидрогели видоизменяли с помощью биоактивных факторов и белков клеточной адгезии. Несколько групп ученых доложили об увеличении пролиферации клеток, инкапсулированных в основу с добавлением белка клеточной адгезии RGD ( Rowley et al., 1999; Alsberg et al., 2001, 2002; Hsu et al., 2004 ). Lee et al. ( 2004а ) включил TGF-pl в хитозановую основу, в которой культивировались хондроциты. Хондроциты, растущие на подложках с содержанием TGF-pl, показывали больший уровень пролиферации и продукции GAG и коллагена II типа, по сравнению с хондроцитами, растущими на основе без TGF-pl.
Микроструктура подложки также оказывает влияние на культивируемые клетки. Фибриллярная микроструктура гидрогелей, синтезированных из самособирающихся синтетических олигопептидов, приблизительно в три раза меньше, чем у гидрогелей из синтетических полимеров, таких как PEO, полилактат амид ( poly(lactic acid) - PLA ) и полигликат амид ( poly(glycolic acid) - PGA ) и более близких веществ к ряду природных ECM ( Kisiday et al., 2002 ). Kisiday et al. ( 2002 ) культивировал хондроциты в синтетическом гидрогеле на основе пептидов ( KLD-12 ), сравнивая их пролиферацию, секрецию матрикса и механические свойства с общепринятыми хондроцит-агарозными основами. Хондроциты, культивируемые в пептидных гидрогелях, пролиферировали гораздо интенсивней, чем те, которые росли на агарозной подложке, хотя механические характеристики, гистологический вид и биохимический состав был одинаков.
Схематическое изображение интеграции гидрогелей в хрящ
Рис. 3.2 Схематическое изображение интеграции гидрогелей в хрящ, вызванной фотополимеризацией. Отдельные этапы процесса представляют собой: этап 2, очистка суставного хряща от протеогликанов с помощью хондроитиназы - для обнажения коллагеновой сети; этап 3, in situ образование радикалов тирозила фото-окислением тирозиновых остатков на коллагене, при помощи Н2О2 под ультрафиолетовым облучением малой интенсивности; этап 4, введение раствора макромеров и in situ фотогелеобразование в следствие инициации тирозиловых радикалов и возбуждения ультрафиолетом (Wang et al., 2004). (Перепечатано с разрешения Wiley Interscience ©).

Опыты in vivo

Подложки из гидрогелей также широко используются в исследованиях тканевой инженерии in vivo. Обычно они используются как переносчики для клеток и/или ростовых факторов, а их первоначальной задачей является поддержка роста и развития здоровой ткани, а также интеграция в окружающие ткани. В этой связи подложки должны быть биосовместимы с тканями хозяина, не выделять токсичных веществ или не вызывать явного воспалительного ответа. В добавок ко всему, подложка должна иметь достаточную прочность и устойчивость к воздействиям в месте имплантации, без преждевременного распада. Использование гидрогелей in vivo в инженерии хрящевой ткани в настоящее время включает в себя имплантацию гидрогелевых подложек ( обычно подкожно ) для определения возможности генерации хрящеподобной ткани (рис. 3.2). С другой стороны, дефект хряща может быть создан после применения гидрогеле-хондроцитовых подложек для оценки излечения. Несколько научных групп показали наличие секреции хрящевого матрикса in vivo при использовании инкапсулированных хондроцитов в гидрогелях из фибрина (Westreich et al., 2004; Xu et al., 2004,2005); агарозы (Diduch et al., 2000), альгината (Paige et al., 1996; Alsberg et al., 2003; Chang et al., 2003; Kamil et al., 2004), хитозана (Chenite et al., 2000; Hoemann et al., 2005), гиалуроновой кислоты - HA (Dausse et al., 2003; Hsu et al., 2004; Nettles et al., 2004), и синтетических полимеров, таких как PLA, PGA и PEO (Elisseeff et al., 1999b; Mercier et al., 2004; Alhadlaq and Muo, 2005). Опять же, сложно делать обширные выводы о годности различных гидрогелей для тканевой инженерии вследствие большого разнообразия экспериментальных схем и подходов. Использование гидрогелей широко применяется для поддержки роста хондроцитов и продукции матрикса. В настоящее время исследования ведутся в направлении более широкого применения гидрогелей в клинике.