Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание набора прототипов изделий из биоискусственной костной ткани и модуляторов остеогенеза для регенеративной медицины

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
тканевая инженерия, регенерация, костный трансплантат, скаффолды, биорезорбируемые материалы, дефекты костной ткани, фиброин шелка, стимуляция регенерации, кость, остеобласты

Цель проекта:
1. Быстрое и эффективное восстановление повреждений костной ткани – важнейшая задача современной ортопедии. Использование костных имплантатов является стандартным подходом при лечении травм, врожденных дефектов и заболеваний кости. Один из основных подходов при решении этой проблемы – создание биоискусственных аналогов костной ткани, являющихся биоактивным матриксом, позволяющим восстановиться собственной кости и разлагающимся по мере процесса восстановления. 2. Создание биоискусственных аналогов элементов децеллюляризированной костной ткани, обладающих остеоиндуктивной и остеокондуктивной активностью, пригодных для восстановления поврежденных или утраченных фрагментов костей различной формы (трубчатых, губчатых, плоских, смешанных) и анатомического положения, а также усиление остеоиндуктивной активности биоискусственных субстратов за счет регулируемого локального выброса факторов, модулирующих остеогенную активность.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В результате реализации проекта будет создан набор изделий для регенерации костной ткани, а также техническая документация, отражающая экспериментальную реализацию разработанных технических решений в составе: Методика инкапсулирования в биодеградируемый микрогранулярный остеоиндуктивный биоматериал на основе бактериальных полиоксиалканоатов (ПОА) белкового фактора роста BMP-2 для его последующего пролонгированного высвобождения с заданной кинетикой; Лабораторные технологические регламенты создания экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани; Программа и методики испытаний экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани; Акты наработки экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани; Протоколы исследовательских испытаний. Кроме того планируется получение не менее 2 патентов РФ на изобретение.
2. Разрабатываемые изделия для ускорения заживления и регенерации костной ткани предназначены для восстановления поврежденных и/или утраченных фрагментов костей различной формы и анатомического положения, а также усиление остеоиндуктивной активности биоискусственных субстратов за счет регулируемого локального выброса факторов, модулирующих остеогенную активность. В состав набора изделий будут входить пористые скаффолды, выполненные в виде дисков и брусков, бислойные скаффолды в форме мата и микрочастицы для заполнения костного дефекта или полости, обладающие остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами, биодеградируемая фиброиновая армированная пленка для фиксации отломков кости, скаффолдов и микрочастиц, а также паста из биодеградируемого микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала на основе ПОА, содержащего ростовой фактор BMP-2, для модификации скаффолдов с целью улучшения их остеоиндуктивных свойств.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. В результате реализации проекта будет создан набор изделий для регенерации костной ткани, в состав которого будут входить пористые скаффолды, выполненные в виде дисков и брусков, бислойные скаффолды в форме мата и микрочастицы для заполнения костного дефекта или полости, обладающие остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами, биодеградируемая фиброиновая армированная пленка для фиксации отломков кости, скаффолдов и микрочастиц, а также паста из биодеградируемого микрогранулярного остеоиндуктивного биоматериала на основе ПОА, содержащего ростовой фактор BMP-2, для модификации скаффолдов с целью улучшения их остеоиндуктивных свойств.
2. Несмотря на перспективность шелка как материала для разработки биорезорбируемых конструкций, на рынке не представлены изделия на его основе. Изделия на основе фиброина превосходят по биосовместимости существующие на рынке имплантаты для регенерации костной ткани, которые представлены в основном ксеноматериалами и изделиями из полилактогликолидов. Простота технологии, невысокая стоимость сырья, в сочетании с уникальными свойствами позволит создать доступный конкурентоспособный продукт и занять лидирующие позиции в данной области.
3. В последние годы значительно вырос интерес к новым биосовместимым материалам и покрытиям, которые могут найти применение в тканевой инженерии. При этом решается одна из важнейших задач – создание искусственных аналогов органов и тканей, которые могут временно заменить утраченные функции естественной ткани и способствовать их полному восстановлению. На современном рынке биоразлагаемых имплантов для тканевой инженерии костной ткани наиболее распространены полилактогликолиды, являющиеся различными комбинациями сополимеров молочной и гликолевой кислот (фирма INION). В продаже имеется линейка изделий, включающая пластины, сетки, винты для фиксации костных отломков, а также синтетический заменитель костного трансплантата для заполнения костных дефектов, не требующих стабилизации костной структуры. Данные изделия стимулируют костные клетки на этапе использования их как временного каркаса. Высокая пористость обеспечивает приток жидкости, клеток и питательных веществ к месту регенерации. Недостатком полилактогликолида как материала является локальное закисление продуктами его распада – молочной и гликолевых кислот, вследствие чего развивается асептическое воспаление и замедляются процессы остеогенеза.
Биокерамика (гидроксиапатит, трифосфат кальция и биоактивные стекла) рассматривается как перспективный материал для тканевой инженерии кости. Поскольку указанные соединения присутствуют в костной ткани они характеризуются хорошей биосовместимостью и остеоиндуктивными свойствами. Но применение биокерамики в чистом виде ограничивается плохими механическими свойства, в частности, хрупкостью.
Идеальный скаффолд для регенерации фрагментов костей должен имитировать структуру костной ткани. Способность костных имплантатов поддерживать регенерацию тканей определяется их способностью привлекать остеогенные клетки, такие как остеобласты, остеоциты, а также мезенхимальные стволовые клетки (МСК), стимулировать рост клеток на поверхности матрикса и стимулировать в процессе формирования кости дифференцировку МСК в преостеобласты.
Биомедицинские свойства фиброина шелка, такие как биосовместимость, хорошая проницаемость для воды и кислорода, нетоксичность, морфологическая гибкость позволяет рассматривать его в качестве перспективного материала для изготовления имплантатов для тканевой инженерии. Различными исследовательскими группами показано, что трансплантаты на основе фиброина успешно поддерживают регенерацию кишечника, восстановление нервной и костной ткани [Vepari C, Kaplan DL. Prog Polym Sci. 2007]. Показано, что скаффолд из фиброина шелка усиливает образование микрокапилляров вокруг и внутри матрикса при восстановлении костной ткани [Unger et al. J. Biomaterials. 2010]. В исследованиях регенерации костной ткани показали важность минерализации фиброинового скаффолда или использование его в виде композитного материала с фосфатами кальция или с гидроксиапатитом кальция. Композитный скаффолд с трифосфатом кальция имеет улучшенную пористую структуру и значительно увеличивает экспрессию остеогенных маркеров (ALP, коллагена 1 типа и остеокальцина) по сравнению с чистым фиброином. В другом исследовании было показано, что минерализация скаффолдов гидроксиапатитом повышает остеокондуктивную активность и механические свойства скаффолдов [Bhumiratana et al., G. Biomaterials. 2011]. Сравнительный анализ регенерации с использованием децеллюляризованной губчатой кости и минерализованного фиброинового скаффолда показал, что через определенное время восстанавливается костная ткань, увеличивается количество трабекул и расстояния между ними. Данные показатели при этом соответствовали децилляризованной кости в скаффолдах с 3,1% и 4,6% гидроксиаппатита. Остеогенные свойства субстратов могут модулироваться за счет растворимых остеогенных факторов. Таким фактором является BMP. Опыты на животных и широкое клиническое применение рекомбинантных BMР продемонстрировали их эффективность в качестве активного стимулятора остеогенеза [Reddi et al., Biochem. Soc. Trans. 2000]. В настоящее время общепризнанным технологическим принципом применения BMP является его соединение c биодеградируемыми носителями, в качестве которых могут быть использованы природные полимеры. Перспективным системами для направленной доставки биологически активных веществ, стимулирующих регенерацию являются контейнеры из биоразлагаемых полимеров бактериального происхождения – полиоксиалканоатов (ПОА). Наличие высокопродуктивного бактериального штамма-продуцента ПОА и оригинальных технологий и высокотехнологичного оборудования для инкапсулирования лекарственных веществ позволяет в промышленных масштабах создавать контейнеры для биостимуляторов остеогенеза (например, ростовой фактор BMP-2) и лекарственных веществ.
4. Для достижения заявленных результатов при выполнении проекта исполнители будут неукоснительно следовать требованиям технического задания и плана-графика.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Биомедицинские клеточные технологии.Биоинженерия, в том числе тканевая инженерия, тканевые эквиваленты и искусственные органы, скаффолды различной природы, клеточные элементы, культуры клеток и тканей для медицины. Методы регенерации тканей и органов человека с применением аутологичных и донорских клеток человека, тканевых эквивалентов, стимулирующих регенерацию препаратов, продуктов культивирования клеток. Разработка технологий получения тканевых эквивалентов и искусственных органов.
2. Поскольку проект направлен на разработку изделий, предназначенных для регенеративной медицины, результаты проекта могут быть востребованы государственными и коммерческими организациями, деятельность которых связана с продвижением на рынок инновационных высокотехнологичных изделий. К таким организациям, например, можно отнести ЗАО НПП «МедИнж» и Центр Высоких Технологий "ХимРар". Основные направления деятельности включают научные исследования, разработку, внедрение и продвижение инновационных медицинских изделий, эндопротезов и инплантатов для человека. Потребителем медицинских изделий, предназначенных для регенеративной медицины, могут быть специализированные медицинские учреждения и отделы лечебных учреждений общего профиля, деятельность которых связана с лечением заболеваний и повреждений органов и тканей. Примером таких учреждений являются: ГБУЗ МО "МОНИКИ имени М.Ф.Владимирского", ФГБУ "Российский онкологический научный центр имени Н.Н.Блохина", ФГБУ «ФНЦ трансплантологии и искусственных органов им акад В.И.Шумакова», НИИ скорой помощи им. Н. В. Склифосовского, ФГБУ «Научный центр сердечно-сосудистой хирургии имени А.Н. Бакулева» Российской академии медицинских наук, ФГБУ «Российский кардиологический научно-производственный комплекс» Министерства здравоохранения Российской Федерации. Кроме того, на основе разрабатываемых изделий впоследствии возможно создание линейки изделий, предназначенных для использования в различных областях тканевой инженерии и регенеративной медицины.
3. Результаты выполненного проекта будут востребованы в сфере здравоохранения, т.к. возвращение к нормальной жизни и сокращение сроков реабилитации больных после перенесённых заболеваний и хирургических операций, связанных с повреждений и/или утратой фрагментов костной ткани, является весьма важной и актуальной проблемой. Решение её во многом зависит от разработки материалов, предназначенных для замещения или регенерации тканей или целиком поврежденного органа.
Проведение планируемой работы, ориентированной на создание отечественных медицинских изделий на основе биорезорбируемых материалов, позволит решить проблему импортозамещения дорогостоящих зарубежных аналогов. Создание медицинских изделий на основе биорезорбируемых материалов с улучшенными по сравнению с зарубежными аналогами свойствами, позволит повысить качество здоровья населения за счет уменьшения вероятности наступления осложнений и отторжений после операции. Восстановление поврежденных костных фрагментов, экономия средств на лечение больных за счет снижения расходов и уменьшения времени лечения, снижение инвалидизации населения будут также иметь положительный экономический эффект. Внедрение новых материалов и технологий для изготовления медицинских изделий будет способствовать модернизации отечественной медицинской промышленности.
4. На данном этапе оценка влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры не проводилась.

Текущие результаты проекта:
В связи с тем, что проект начал выполняться с 28 октября 2015 г., на данный момент частично выполнены работы 1 этапа - Теоретические исследования поставленных задач, в том числе выполнен аналитический обзор информационных источников по теме проекта и проведен анализ имеющегося научно-технического задела с целью разработки научных и технологических основ создания экспериментальных образцов изделий для ускорения заживления и регенерации костной ткани.