cardiotomskСибирский журнал клинической и экспериментальной медициныSiberian Journal of Clinical and Experimental Medicine2713-29272713-265XTSU publishing10.29001/2073-8552-2023-38-1-160-166cardiotomsk-1724Research ArticleЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. Тканевая биоинженерияEXPERIMENTAL INVESTIGATIONS. Tissue bioengineeringАнализ эффективности различных белковых покрытий для оптимизации эндотелизации полимерных матриксовAnalysis of the effectiveness of various protein coatings for optimizing the endothelialization of polymer matriceshttps://orcid.org/0000-0002-1079-1956ВеликановаЕ. А.VelikanovaE. A.

Великанова  Елена Анатольевна - кандидат биологических наук, научный  сотрудник,  лаборатория  клеточных  технологий.

650002, Кемерово, Сосновый бульвар, 6

Elena A. Velikanova - Cand. Sci. (Biol.), Research Scientist, Laboratory for Cell Technologies, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.

6, Sosnovy blvd., Kemerovo, 650002

velikanova_ea@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4146-3373МатвееваВ. Г.MatveevaV. G.

Матвеева Вера Геннадьевна - кандидат медицинских наук, старший научный сотрудник, лаборатория клеточных технологий.

650002, Кемерово, Сосновый бульвар, 6

Vera G. Matveeva - Cand. Sci. (Med.), Senior Research Scientist, Laboratory for Cell Technologies, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.

6, Sosnovy blvd., Kemerovo, 650002

matveeva_vg@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9430-937XСенокосоваЕ. А.SenokosovaE. A.

Сенокосова Евгения Андреевна - кандидат биологических наук, научный сотрудник, лаборатория клеточных технологий.

650002, Кемерово, Сосновый бульвар, 6

Evgeniya A. Senokosova - Cand. Sci. (Biol.), Research Scientist, Laboratory for Cell Technologies, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.

6, Sosnovy blvd., Kemerovo, 650002

sergea@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8826-9244ХановаМ. Ю.KhanovaM. U.

Ханова Марьям Юрисовна - младший научный сотрудник, лаборатория клеточных технологий.

650002, Кемерово, Сосновый бульвар, 6

Mariam  U. Khanova - Junior  Research  Scientist,  Laboratory  for Cell Technologies, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.

6, Sosnovy blvd., Kemerovo, 650002

hanomu@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2500-2147КривкинаЕ. О.KrivkinaE. O.

Кривкина Евгения Олеговна - младший научный сотрудник, лаборатория клеточных технологий.

650002, Кемерово, Сосновый бульвар, 6

Evgeniya O. Krivkina - Junior Research Scientist, Laboratory for Cell Technologies, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.

6, Sosnovy blvd., Kemerovo, 650002

leonora92@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8874-0788АнтоноваЛ. В.AntonovaL. V.

Антонова Лариса Валерьевна - доктор медицинских наук, заведующий лабораторией клеточных технологий.

650002, Кемерово, Сосновый бульвар, 6

Larisa V. Antonova - Dr. Sci. (Med.), Head,   Laboratory of Cell Technologies, Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases.

6, Sosnovy blvd., Kemerovo, 650002

antolv@kemcardio.ruНаучно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеванийРоссияResearch Institute for Complex Issues of Cardiovascular DiseasesRussian Federation202309042023381160166Copyright © Великанова Е.А., Матвеева В.Г., Сенокосова Е.А., Ханова М.Ю., Кривкина Е.О., Антонова Л.В., 20232023Великанова Е.А., Матвеева В.Г., Сенокосова Е.А., Ханова М.Ю., Кривкина Е.О., Антонова Л.В.Velikanova E.A., Matveeva V.G., Senokosova E.A., Khanova M.U., Krivkina E.O., Antonova L.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sibjcem.ru/jour/article/view/1724Обоснование

Обоснование. В связи с постоянным увеличением количества операций по восстановлению кровотока в пораженных сосудах актуальна разработка синтетических протезов. Одним из ключевых факторов их успешности является повышение адгезионных свойств внутренней поверхности, поскольку быстрая эндотелизация сосудистых протезов считается фактором, необходимым для предотвращения тромбозов и гипертрофии неоинтимы.

Цель исследования

Цель исследования: определить влияние модификации поверхности полимерных матриксов фибрином, фибронектином или коллагеном I типа на адгезию и жизнеспособность эндотелиальных клеток.

Методология и методы исследования. Исследовали полимерные матриксы, изготовленные методом электроспиннинга из смеси поли(3-гидроксибутирата-ко-3-гидроксивалерата) и поли(ε-капролактона). Образцы матриксов покрывали коллагеном I типа, фибронектином или фибрином. Затем на матриксы заселяли эндотелиальные клетки пупочной вены человека (HUVEC), культивировали 3 сут. В качестве контроля использовали немодифицированные матриксы и лунки культурального планшета. Жизнеспособность клеток оценивали сочетанной окраской Hoechst 33342 и этидиум бромидом. Метаболическую активность клеток изучали с помощью МТТ-теста. Адгезию клеток анализировали по окрашиванию на F-актин. Статистический анализ результатов выполняли в программе GraphPrism 7.0.

Результаты

Результаты. Установлено, что по количеству адгезированных клеток и их метаболической активности матриксы с коллагеном не отличались от немодифицированных. Покрытие фибронектином продемонстрировало более высокие показатели адгезии клеток к поверхности. Однако достаточно высокий уровень гибели клеток в этой группе указывает на то, что подобная модификация не может в полной мере обеспечить нормальное функционирование клеток. Наконец, наилучшие результаты мы наблюдали при использовании фибринового покрытия, которое по показателям адгезии и жизнеспособности эндотелиальных клеток было сравнимо с культуральным пластиком.

Заключение

Заключение. Модификация поверхности полимерных матриксов фибрином позволяет значительно улучшить их адгезионные свойства и может быть использована при разработке полимерных протезов сосудов малого диаметра.

Background

Background. Due to the constant increase in the number of surgeries to restore blood flow in the affected vessels, the development of synthetic prostheses is relevant. One of the key success factors is an increase in the adhesive properties of the inner surface, since the rapid endothelialization of vascular prostheses is considered a factor necessary to prevent thrombosis and neointimal hypertrophy.

Aim

Aim: To determine the effect of surface modification of polymer matrices with fibrin, fibronectin, or type I collagen on the adhesion and viability of endothelial cells.

Material and Methods

Material and Methods. Polymer matrices prepared by electrospinning from a mixture of poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) and poly(ε-caprolactone) were studied. Matrix samples were coated with type I collagen or fibronectin or fibrin. Then, human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) were colonized on the matrices and cultured for 3 days. Unmodified matrices and culture plate wells were used as controls. Cell viability was assessed by combined staining with Hoechst 33342 and ethidium bromide. The metabolic activity of the cells was studied using the MTT test. Cell adhesion was analyzed by staining for F-actin. Statistical analysis of the results was performed using the GraphPrism 7.0 program.

Results

Results. It was found that the number of adherent cells and their metabolic activity of matrices with collagen did not differ from unmodified ones. Coating with fibronectin demonstrated higher rates of cell adhesion to the surface.  However, a rather high level of cell death in this group indicates that such a modification cannot fully ensure the normal functioning of cells. Finally, we observed the best results when using a fibrin coating, which was comparable to culture plastic in terms of adhesion and viability of endothelial cells.

Conclusion

Conclusion. Modification of the surface of polymer matrices with fibrin can significantly improve their adhesive properties and can be used in the development of polymer prostheses for small-diameter vessels.

тканевая инженерияпротезы сосудов малого диаметраэлектроспиннингфибринэндотелиальные клеткиtissue engineeringsmall-diameter vessel prostheseselectrospinningfibrinendothelial cellsИсследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Соглашения о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий в соответствии с п. 4 ст. 78.1 Бюджетного кодекса Российской Федерации № 075-15-2022-1202 от 30 сентября 2022 г., заключенного в целях реализации Распоряжения Правительства Российской Федерации от 11 мая 2022 г. № 1144-р.The study was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the framework of the Agreement on the provision of grants from the federal budget in the form of subsidies in accordance with paragraph 4 of Article 78.1 of the Budget Code of the Russian Federation № 075-15-2022-1202 dated September 30, 2022, concluded to implement the Order of the Russian Federation Government dated May 11, 2022 No. 1144-r.ReferencesMathers C.D., Loncar D. Projections of global mortality and burden of disease from 2002 to 2030. PLoS Med. 2006;3(11):e442. DOI: 10.1371/journal.pmed.0030442.Mathers C.D., Loncar D. Projections of global mortality and burden of disease from 2002 to 2030. PLoS Med. 2006;3(11):e442. DOI: 10.1371/journal.pmed.0030442.Pashneh-Tala S., MacNeil S., Claeyssens F. The tissue-engineered vascular graft – past, present, and future. Tissue Eng. Part. B.: Rev. 2016;22(1):68–100. DOI: 10.1089/ten.teb.2015.0100.Pashneh-Tala S., MacNeil S., Claeyssens F. The tissue-engineered vascular graft – past, present, and future. Tissue Eng. Part. B.: Rev. 2016;22(1):68–100. DOI: 10.1089/ten.teb.2015.0100.Elliott M.B., Ginn B., Fukunishi T., Bedja D., Suresh A., Chen T. et al. Regenerative and durable small-diameter graft as an arterial conduit. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2019;116(26):12710–12719. DOI: 10.1073/pnas.1905966116.Elliott M.B., Ginn B., Fukunishi T., Bedja D., Suresh A., Chen T. et al. Regenerative and durable small-diameter graft as an arterial conduit. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2019;116(26):12710–12719. DOI: 10.1073/pnas.1905966116.Shoji T., Shinoka T. Tissue engineered vascular grafts for pediatric cardiac surgery. Transl. Pediatr. 2018;7(2):188–195. DOI: 10.21037/tp.2018.02.01.Shoji T., Shinoka T. Tissue engineered vascular grafts for pediatric cardiac surgery. Transl. Pediatr. 2018;7(2):188–195. DOI: 10.21037/tp.2018.02.01.Abdulhannan P., Russell D.A., Homer-Vanniasinkam S. Peripheral arterial disease: a literature review. Br. Med. Bull. 2012;104:21–39. DOI: 10.1093/bmb/lds027.Abdulhannan P., Russell D.A., Homer-Vanniasinkam S. Peripheral arterial disease: a literature review. Br. Med. Bull. 2012;104:21–39. DOI: 10.1093/bmb/lds027.Ardila D.C., Liou J.J., Maestas D., Slepian M.J., Badowski M., Wagner W.R. et al. Surface Modification of Electrospun Scaffolds for Endothelialization of Tissue-Engineered Vascular Grafts Using Human Cord Blood-Derived Endothelial Cells. J. Clin. Med. 2019;8(2):185. DOI: 10.3390/jcm8020185.Ardila D.C., Liou J.J., Maestas D., Slepian M.J., Badowski M., Wagner W.R. et al. Surface Modification of Electrospun Scaffolds for Endothelialization of Tissue-Engineered Vascular Grafts Using Human Cord Blood-Derived Endothelial Cells. J. Clin. Med. 2019;8(2):185. DOI: 10.3390/jcm8020185.Assmann A., Delfs C., Munakata H., Schiffer F., Horstkötter K., Huynh K. et al. Acceleration of autologous in vivo recellularization of decellularized aortic conduits by fibronectin surface coating. Biomaterials. 2013;34:6015–6026. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.04.037.Assmann A., Delfs C., Munakata H., Schiffer F., Horstkötter K., Huynh K. et al. Acceleration of autologous in vivo recellularization of decellularized aortic conduits by fibronectin surface coating. Biomaterials. 2013;34:6015–6026. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2013.04.037.Conklin B.S., Wu H., Lin P.H., Lumsden A.B., Chen C. Basic fibroblast growth factor coating and endothelial cell seeding of a decellularized heparin-coated vascular graft. Artif. Organs. 2004;28:668–675. DOI: 10.1111/j.1525-1594.2004.00062.x.Conklin B.S., Wu H., Lin P.H., Lumsden A.B., Chen C. Basic fibroblast growth factor coating and endothelial cell seeding of a decellularized heparin-coated vascular graft. Artif. Organs. 2004;28:668–675. DOI: 10.1111/j.1525-1594.2004.00062.x.Flameng W., De Visscher G., Mesure L., Hermans H., Jashari R., Meuris B. Coating with fibronectin and stromal cell–derived factor-1α of decellularized homografts used for right ventricular outflow tract reconstruction eliminates immune response–related degeneration. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 2014;147(4):1398–1404.e2. DOI: 10.1016/j.jtcvs.2013.06.022.Flameng W., De Visscher G., Mesure L., Hermans H., Jashari R., Meuris B. Coating with fibronectin and stromal cell–derived factor-1α of decellularized homografts used for right ventricular outflow tract reconstruction eliminates immune response–related degeneration. J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 2014;147(4):1398–1404.e2. DOI: 10.1016/j.jtcvs.2013.06.022.Ханова М.Ю., Великанова Е.А., Глушкова Т.В., Матвеева В.Г. Создание персонифицированного клеточно-заселенного сосудистого протеза in vitro. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2021;10(2):89–93. DOI: 10.17802/2306-1278-2021-10-2S-89-93.Khanova M.Yu., Velikanova E.A., Glushkova T.V., Matveeva V.G. Development of personalized cell-populated vascular graft in vitro. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2021;10(2):89–93. (In Russ.). DOI: 10.17802/2306-1278-2021-10-2S-89-93.Copes F., Pien N., Vlierberghe S.V., Boccafoschi F., Mantovani D. Collagen-Based Tissue Engineering Strategies for Vascular Medicine. Front. Bioeng. Biotechnol. 2019;7:166. DOI: 10.3389/fbioe.2019.00166.Copes F., Pien N., Vlierberghe S.V., Boccafoschi F., Mantovani D. Collagen-Based Tissue Engineering Strategies for Vascular Medicine. Front. Bioeng. Biotechnol. 2019;7:166. DOI: 10.3389/fbioe.2019.00166.Lynn A.K., Yannas I.V., Bonfield W. Antigenicity and immunogenicity of collagen. J. Biomed. Mater. Res. Part B. Appl. Biomater. 2004; 71:343–354. DOI: 10.1002/jbm.b.30096.Lynn A.K., Yannas I.V., Bonfield W. Antigenicity and immunogenicity of collagen. J. Biomed. Mater. Res. Part B. Appl. Biomater. 2004; 71:343–354. DOI: 10.1002/jbm.b.30096.Smethurst P.A., Onley D J., Jarvis G.E., O’Connor M.N., Knight C.G., Herr A. B. et al. Structural basis for the platelet-collagen interaction: the smallest motif within collagen that recognizes and activates platelet glycoprotein VI contains two glycine-proline-hydroxyproline triplets. J. Biol. Chem. 2007;282(2):1296–1304. DOI: 10.1074/jbc.M606479200.Smethurst P.A., Onley D J., Jarvis G.E., O’Connor M.N., Knight C.G., Herr A. B. et al. Structural basis for the platelet-collagen interaction: the smallest motif within collagen that recognizes and activates platelet glycoprotein VI contains two glycine-proline-hydroxyproline triplets. J. Biol. Chem. 2007;282(2):1296–1304. DOI: 10.1074/jbc.M606479200.Dietrich M., Heselhaus J., Wozniak J., Weinandy S., Mela P., Tschoeke B. et al. Fibrin-based tissue engineering: Comparison of different methods of autologous fibrinogen isolation. Tissue Engineering. Part C: Methods. 2013;19(3):216–226. DOI: 10.1089/ten.tec.2011.0473.Dietrich M., Heselhaus J., Wozniak J., Weinandy S., Mela P., Tschoeke B. et al. Fibrin-based tissue engineering: Comparison of different methods of autologous fibrinogen isolation. Tissue Engineering. Part C: Methods. 2013;19(3):216–226. DOI: 10.1089/ten.tec.2011.0473.Park C.H., Woo K.M. Fibrin-Based Biomaterial Applications in Tissue Engineering and Regenerative Medicine. Adv. Exp. Med. Biol. 2018;1064:253–261. DOI: 10.1007/978-981-13-0445-3_16.Park C.H., Woo K.M. Fibrin-Based Biomaterial Applications in Tissue Engineering and Regenerative Medicine. Adv. Exp. Med. Biol. 2018;1064:253–261. DOI: 10.1007/978-981-13-0445-3_16.Podolnikova N.P., Yakovlev S., Yakubenko V.P., Wang X., Gorkun O.V., Ugarova T.P. The interaction of integrin αIIbβ3 with fibrin occurs through multiple binding sites in the αIIb β-propeller domain. J. Biol. Chem. 2014;289(4):2371–2383. DOI: 10.1074/jbc.M113.518126.Podolnikova N.P., Yakovlev S., Yakubenko V.P., Wang X., Gorkun O.V., Ugarova T.P. The interaction of integrin αIIbβ3 with fibrin occurs through multiple binding sites in the αIIb β-propeller domain. J. Biol. Chem. 2014;289(4):2371–2383. DOI: 10.1074/jbc.M113.518126.

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