Материал и методы

oncotomsk

Сибирский онкологический журнал

Siberian journal of oncology

1814-48612312-3168

Tomsk National Research Medical Сепtеr of the Russian Academy of Sciences

10.21294/1814-4861-2022-21-1-130-136

oncotomsk-2037

Research Article

ОБЗОРЫ

REVIEWS

Применение биосовместимых композитных структур (скаффолдов) в онкологии

The use of biocompatible composite scaffolds in oncology

https://orcid.org/0000-0003-3061-6108

Кит

О. И.

Kit

O. I.

Кит Олег Иванович, член-корреспондент РАН, профессор, генеральный директор

SPIN-код: 1728-0329

Россия, 344037, г. Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

Oleg I. Kit, MD, DSc, Professor, Corresponding Member of the Academy of Medical Sciences, General Director

SPIN-code: 1728-0329

63, 14th Line St., 344037, Rostov-on-Don, Russia

Максимов

А. Ю.

Maksimov

A. Yu.

Максимов Алексей Юрьевич, доктор медицинских наук, профессор, заместитель генерального директора по перспективным научным разработкам

SPIN-код: 7322-5589. Author ID (Scopus): 56579049500

Россия, 344037, г. Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

Aleksey Yu. Maksimov, MD, DSc, Professor, Deputy Director

SPIN-code: 7322-5589. Author ID (Scopus): 56579049500

63, 14th Line St., 344037, Rostov-on-Don, Russia

https://orcid.org/0000-0002-6496-9641

Новикова

И. А.

Novikova

I. A.

Новикова Инна Арнольдовна, кандидат медицинских наук, заместитель генерального директора по науке

SPIN-код: 4810-2424. Researcher ID (WOS): E-7710-2018. Author ID (Scopus): 57202252773

Россия, 344037, г. Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

Inna A. Novikova, MD, PhD, Deputy Director for Science

SPIN-code: 4810-2424. Researcher ID (WOS): E-7710-2018. Author ID (Scopus): 57202252773

63, 14th Line St., 344037, Rostov-on-Don, Russia

https://orcid.org/0000-0003-0676-0871

Гончарова

А. С.

Goncharova

A. S.

Гончарова Анна Сергеевна, кандидат биологических наук, заведующая отделением «Испытательный лабораторный центр»

SPIN-код: 7512-2039

Россия, 344037, г. Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

Anna S. Goncharova, PhD, Head of Testing Laboratory Center

SPIN-code: 7512-2039

63, 14th Line St., 344037, Rostov-on-Don, Russia

fateyeva_a_s@list.ru

https://orcid.org/0000-0002-3036-6199

Лукбанова

Е. А.

Lukbanova

E. A.

Лукбанова Екатерина Алексеевна, научный сотрудник

SPIN-код: 4078-4200

Россия, 344037, г. Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

Ekaterina A. Lukbanova, Researcher

SPIN-code: 4078-4200

63, 14th Line St., 344037, Rostov-on-Don, Russia

https://orcid.org/0000-0002-6035-1756

Ситковская

А. О.

Sitkovskaya

A. O.

Ситковская Анастасия Олеговна, заведующая отделением «Лаборатория клеточных технологий»

SPIN-код: 1659-6976. Researcher ID (WOS): E-7496-2018. Author ID (Scopus): 56381527400

Россия, 344037, г. Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

Anastasiya O. Sitkovskaya, Head of Cell Technology Laboratory

SPIN-code: 1659-6976. Researcher ID (WOS): E-7496-2018. Author ID (Scopus): 56381527400

63, 14th Line St., 344037, Rostov-on-Don, Russia

https://orcid.org/0000-0002-0120-7244

Воловик

В. Г.

Volovik

V. G.

Воловик Вячеслав Георгиевич, аспирант

Россия, 344037, г. Ростов-на-Дону, 14-я линия, 63

Vyacheslav G. Volovik, Postgraduate

63, 14th Line St., 344037, Rostov-on-Don, Russia

https://orcid.org/0000-0001-8172-8666

Чапек

С. В.

Chapek

S. V.

Чапек Сергей Валентинович, эксперт научно-сследовательской лаборатории «Инженерные технологии в медицине»

SPIN-код: 6689-3406

Россия, 344002, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1

Sergey V. Chapek, Expert of the Laboratory of Engineering Technologies in Medicine

SPIN-code: 6689-3406

1, Gagarin Sq., 344001, Rostov-on-Don, Russia

ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр онкологии» Минздрава РоссииРоссияNational Medical Research Institute of Oncology, the Ministry of Health of the RussiaRussian Federation

ФГБОУ ВО «Донской государственный технический университет» Минздрава РоссииРоссияDon State Technical University, the Ministry of Health of the RussiaRussian Federation

2022

03032022

211130136

2022

Кит О.И., Максимов А.Ю., Новикова И.А., Гончарова А.С., Лукбанова Е.А., Ситковская А.О., Воловик В.Г., Чапек С.В.

Kit O.I., Maksimov A.Y., Novikova I.A., Goncharova A.S., Lukbanova E.A., Sitkovskaya A.O., Volovik V.G., Chapek S.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.siboncoj.ru/jour/article/view/2037

Современные подходы тканевой инженерии направлены на разработку конструкций (скаффолдов), способствующих развитию всего разнообразия межклеточных взаимодействий, имитирующих таковые в реальном объекте.

Цель исследования заключалась в сборе и обобщении данных по созданию и использованию трехмерных клеточных матриц.

Материал и методы

Материал и методы. Выполнен поиск тематических статей с использованием ключевых слов как в международных базах данных PubMed и Medline, так и в отечественных – Cyber Leninka и Elibrary. В результате литературного поиска нами было отобрано 315 статей по изучаемой тематике, далее по результатам детального анализа текстов было взято 37 публикаций, результаты которых послужили предметом обсуждения данного обзора.

Результаты

Результаты. Проведен обзор исследований, посвященных разработке трехмерных композитных структур (скаффолдов) и их применению в области клеточных технологий. Рассмотрены способы изготовления биосовместимых конструкций с использованием как естественных биоматериалов, так и синтетических, в том числе различных гидрогелей и титановых сплавов, а также обсуждаются их некоторые физические и химические характеристики. В обзоре обсуждаются возможные варианты применения трехмерных композитных структур в онкологии в качестве одного из возможных инструментов для расширения фундаментальных представлений о закономерностях развития злокачественного процесса, а также и для использования в работах по разработке эффективных методов лечения и поиску новых лекарственных средств. Обозначены перспективы применения скаффолдов в области экспериментальной онкологии, а именно в создании различного рода опухолевых моделей. Освещено применение специализированных клеточных матриц с целью реконструкции поврежденных тканей.

Заключение

Заключение. В настоящее время трехмерные культуральные системы приходят на смену двухмерным моделям. Успехи в этом направлении связаны с созданием и разработкой различных вариантов клеточных матриц, способствующих решению ряда прикладных задач в области создания трехмерных опухолевых моделей in vitro и in vivo, терапии злокачественных опухолей и восстановительной медицины.

Modern tissue engineering approaches are aimed at developing scaffolds that contribute to the development of the whole variety of intercellular interactions that imitate those in a real object.

The purpose of the study was to collect and summarize the data on the creation and use of three-dimensional cellular matrices.

Material and Methods

Material and Methods. A systematic literature search was conducted in the PubMed, Medline, Cyber Leninka and Elibrary databases. Out of the 315 articles searched, 38 were selected for this review.

Results

Results. A review of studies devoted to the development of three-dimensional composite structures (scaffolds) and their application in the field of cellular technologies was carried out. Methods for the manufacture of biocompatible structures using both natural biomaterials and synthetic ones, including various hydrogels and titanium alloys, were considered, and some physical and chemical characteristics were also discussed. The review discussed possible applications of 3D composite structures in oncology as one of the possible tools for expanding the fundamental understanding of the patterns of development of the malignant process, but also for use in the development of effective methods of treatment and the search for new drugs. The prospects for the use of scaffolds in the field of experimental oncology, namely in the creation of various types of tumor models, were outlined.

Conclusion

Conclusion. Currently, three-dimensional culture systems are replacing two-dimensional models. Advances in this direction are associated with the creation and development of various variants of cell matrices that contribute to the solution of a number of applied problems in the field of creating three-dimensional tumor models in vitro and in vivo, therapy of malignant tumors and restorative medicine.

скаффолдклеточные матрицы3D-моделированиеопухолевые модели

scaffoldcellular matrices3D modelingtumor models

References1

Fong E.L., Harrington D.A., Farach-Carson M.C., Yu H. Heralding a new paradigm in 3D tumor modeling. Biomaterials. 2016 Nov; 108: 197–213. doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.08.052.

Садовой М.А., Ларионов П.М., Самохин А.Г., Рожнова О.М. Клеточные матрицы (скаффолды) для целей регенерации кости: современное состояние проблемы. Хирургия позвоночника. 2014; (2): 79–86.

Sadovoy M.A., Larionov P.M., Samokhin A.G., Rozhnova O.M. Cellular matrices (scaffolds) for bone regeneration: the current state of the problem. Spine Surgery. 2014; (2): 79–86. (in Russian).

Hutmacher D.W. Biomaterials offer cancer research the third dimension. Nature materials. 2010 Feb; 9(2): 90–3. doi:10.1038/nmat2619.

Kankala R.K., Xu X.M., Liu C.G., Chen A.Z., Wang S.B. 3Dprinting of microfibrous porous scaffolds based on hybrid approaches for bone tissue engineering. Polymers (Basel). 2018; 10(7). doi: 10.3390/polym10070807.

Farach-Carson M.C., Warren C.R., Harrington D.A., Carson D.D. Border patrol: insights into the unique role of perlecan/heparan sulfate proteoglycan 2 at cell and tissue borders. Matrix Biol. 2014 Feb; 34: 64–79. doi: 10.1016/j.matbio.2013.08.004.

Theocharis A.D., Skandalis S.S., Gialeli C., Karamanos N.K. Extracellular matrix structure. Adv Drug Deliv Rev. 2016 Feb; 97: 4–27. doi: 10.1016/j.addr.2015.11.001.

Grindel B.J., Martinez J.R., Pennington C.L., Muldoon M., Stave J., Chung L.W., Farach-Carson M.C. Matrilysin/matrix metalloproteinase- 7(MMP7) cleavage of perlecan/ HSPG2 creates a molecular switch to alter prostate cancer cell behavior. Matrix Biol. 2014; 36: 64–76. doi: 10.1016/j.matbio.2014.04.005.

Sabeh F., Shimizu-Hirota R., Weiss S.J. Protease-dependent versusindependent cancer cell invasion programs: three-dimensional amoeboid movement revisited. J Cell Biol. 2009 Apr; 185(1): 11–9. doi: 10.1083/jcb.200807195.

Shoval H., Karsch-Bluman A., Brill-Karniely Y., Stern T., Zamir G., Hubert A., Benny O. Tumor cells and their crosstalk with endothelial cells in 3D spheroids. Sci Rep. 2017 Sep 5; 7(1): 10428. doi: 10.1038/s41598-017-10699-y.

Panzetta V., Musella I., Rapa I., Volante M., Netti P.A., Fusco S. Mechanical phenotyping of cells and extracellular matrix as grade and stage markers of lung tumor tissues. Acta Biomaterialia. 2017 Jul; 57: 334–41. doi: 10.1016/j.actbio.2017.05.002.

Kim K., Dean D., Mikos A.G., Fisher J.P. Effect of initial cell seeding density on early osteogenic signal expression of rat bone marrow stromal cells cultured on crosslinked poly(propylene fumarate) disks. Biomacromolecules. 2009; 10: 1810–7. doi: 10.1021/bm900240k.

Melchels F.P., Feijen J., Grijpma D.W. A poly (D,L-lactide) resin for the preparation of tissue engineering scaffolds by stereolithography. Biomaterials. 2009 Aug; 30(23–24): 3801–9. doi: 10.1016/j.biomaterials.2009.03.055.

Osmond M., Bernier S.M., Pantcheva M.B., Krebs M.D. Collagen and collagen‐chondroitin sulfate scaffolds with uniaxially aligned pores for the biomimetic, three dimensional culture of trabecular meshwork cells. Biotechnol Bioengin. 2017 Apr; 114(4): 915–23. doi: 10.1002/bit.26206.

Tiffany A.S., Gray D.L., Woods T.J., Subedi K, Harley B.A.C. The inclusion of zinc into mineralized collagen scaffolds for craniofacial bone repair applications. Acta Biomaterialia. 2019 Jul; 93: 86–96. doi: 10.1016/j.actbio.2019.05.031.

Prestwich G.D. Simplifying the extracellular matrix for 3‐D cell culture and tissue engineering: a pragmatic approach. J Cell Biochem. 2007 Aug 15; 101(6): 1370–83. doi: 10.1002/jcb.21386.

Lam N.T., Lam H., Sturdivant N.M., Balachandran K. Fabrication of a matrigel–collagen semi-interpenetrating scaffold for use in dynamic valve interstitial cell culture. Biomedical Materials. 2017 Jul 24; 12(4): 045013. doi: 10.1088/1748-605X/aa71be.

Anguiano M., Castilla C., Maska M., Ederra C., Pelaez R., Morales X., Munoz-Arrieta G., Mujika M., Kozubek M., Munoz-Barrutia A., Rouzaut A., Arana S., Garcia-Aznar J.M., Ortiz-de-Solorzano C. Characterization of three-dimensional cancer cell migration in mixed collagen- Matrigel scaffolds using microfluidics and image analysis. PloS one. 2017 Feb 6; 12(2). doi: 10.1371/journal.pone.0171417.

Maru Y., Tanaka N., Itami M., Hippo Y. Efficient use of patientderived organoids as a preclinical model for gynecologic tumors. Gynecol Oncol. 2019 Jul; 154(1): 189–98. doi: 10.1016/j.ygyno.2019.05.005.

Li P., Sakuma K., Tsuchiya S., Sun L., Hayamizu Y. Fibroin-like peptides self-assembling on two-dimensional materials as a molecular scaffold for potential biosensing. ACS Appl Mater Interfaces. 2019 Jun 12; 11(23): 20670–7. doi: 10.1021/acsami.9b04079.

Кокорев О.В., Ходоренко В.Н., Аникеев С.Г., Дамбаев Г.Ц., Гюнтер В.Э. Особенности использования пористо-проницаемых инкубаторов из никелида титана в качестве носителей клеточных культур поджелудочной железы. Вестник новых медицинских технологий. 2014; (1): 47.

Kokorev O.V., Khodorenko V.N., Anikeev S.G., Dambaev G.Ts., Gunter V.E. Features of the use of porous-permeable incubators made of titanium nickelide as carriers of pancreatic cell cultures. Bulletin of New Medical Technologies. 2014; (1): 47. (in Russian). doi: 10.12737/46813.

Кокорев О.В., Ходоренко В.Н., Дамбаев Г.Ц., Гюнтер В.Э. Функциональная характеристика тканевых эквивалентов различных тканей с использованием пористо-проницаемых инкубаторов из никелида титана. Acta Biomedica Scientifica. 2015; (2): 73–9

Kokorev O.V., Khodorenko V.N., Dambaev G.Ts., Gunter V.E. Functional characterization of tissue equivalents of various tissues using porous-permeable titanium nickelide incubators. Acta Biomedica Scientifica. 2015; (2): 73–9. (in Russian).

Murphy C.M., Haugh M.G., O’Brien F.J. The effect of mean pore size on cell attachment, proliferation and migration in collagenglycosaminoglycan scaffolds for bone tissue engineering. Biomaterials. 2010 Jan; 31(3): 461–6. doi: 10.1016/j.biomaterials.2009.09.063.

Carvalho M.R., Lima D., Reis R.L., Correlo V.M., Oliveira J.M. Evaluating biomaterial-and microfluidic-based 3D tumor models. Trends Biotechnol. 2015; 33(11): 667–78. doi: 10.1016/j.tibtech.2015.09.009.

Галимова Э.С., Галагудза М.М. Двухмерные и трехмерные модели культур клеток опухолей in vitro: преимущества и недостатки. Бюллетень сибирской медицины. 2018; 17(3): 188–96.

Galimova E.S., Galagudza M.М. Two-dimensional and three-dimensional cell culture models in vitro: pros and cons. Bulletin of Siberian Medicine. 2018; 17(3): 188–96. (in Russian). doi: 10.20538/1682-0363-2018-3-188-196.

Liu G., Wang B., Li S., Jin Q., Dai Y. Human breast cancer decellularized scaffolds promote epithelial-to-mesenchymal transitions and stemness of breast cancer cells in vitro. J Cell Physiol. 2019; 234(6): 9447–56. doi: 10.1002/jcp.27630.

Cruz‐Neves S., Ribeiro N., Graca I., Jeronimo C., Sousa S.R., Monteiro F.J. Behavior of prostate cancer cells in a nanohydroxyapatite/ collagen bone scaffold. J Biomed Mater Res A. 2017; 105(7): 2035–46. doi: 10.1002/jbm.a.36070.

Gock M., Kühn F., Mullins C.S., Krohn M., Prall F., Klar E., Linnebacher M. Tumor Take Rate Optimization for Colorectal Carcinoma Patient-Derived Xenograft Models. Biomed Res Int. 2016; 2016: 1715053. doi: 10.1155/2016/1715053.

Moshe A., Izraely S., Sagi-Assif O., Prakash R., Telerman A., Meshel T., Carmichael T., Witz I.P. Cystatin C takes part in melanomamicroglia cross-talk: possible implications for brain metastasis. Clin Exp Metastasis. 2018; 35(5–6): 369–78. doi: 10.1007/s10585-018-9891-0.

Кит О.И., Колесников Е.Н., Максимов А.Ю., Протасова Т.П., Гончарова А.С., Лукбанова Е.А. Методы создания ортотопических моделей рака пищевода и их применение в доклинических исследованиях. Современные проблемы науки и образования. 2019; (2): 96.

Kit O.I., Kolesnikov E.N., Maksimov A.Yu., Protasova T.P., Goncharova A.S., Lukbanova E.A. Methods for creating orthotopic models of esophageal cancer and their application in preclinical studies. Modern Problems of Science and Education. 2019; (2): 96. (in Russian).

Павлова А.А., Масчан М.А., Пономарев В.Б. Адоптивная иммунотерапия генетически модифицированными Т-лимфоцитами, экспрессирующими химерные антигенные рецепторы. Онкогематология. 2017; 12(1): 17–32.

Pavlova A.А., Maschan M.А., Ponomarev V.B. Adoptitive immunotherapy with genetically engineered T-lymphocytes modified to express chimeric antigen receptors. Oncohematology. 2017; 12(1): 17–32. (in Russian). doi: 10.17650/1818-8346-2017-12-1-17-32.

Morishita S., Tsubaki A., Hotta K., Fu J.B., Fuji S. The benefit of exercise in patients who undergo allogeneic hematopoietic stem cell transplantation. J Int Soc Phys Rehabil Med. 2019; 2(1): 54–61. doi: 10.4103/jisprm.jisprm_2_19.

Melief C.J.M. Cancer: precision T-cell therapy targets tumours. Nature. 2017; 547(7662): 165–7. doi: 10.1038/nature23093.

Bonifant C.L., Jackson H.J., Brentjens R.J., Curran K.J. Toxicity and management in CAR T-cell therapy. Mol Ther Oncolytics. 2016; 3: 16011. doi: 10.1038/mto.2016.11.

Rose F.R., Oreffo R.O. Bone tissue engineering: hope vs hype. Biochem Biophys Res Commun. 2002; 292(1): 1–7. doi: 10.1006/bbrc.2002.6519.

Farshadi M., Johari B., Erfani Ezadyar E., Gholipourmalekabadi M., Azami M., Madanchi H., Haramshahi S.M.A., Yari A., Karimizade A., Nekouian R., Samadikuchaksaraei A. Nanocomposite scaffold seeded with mesenchymal stem cells for bone repair. Cell Biol Int. 2019 Feb 27. doi: 10.1002/cbin.11124.

Епишев В.В., Петрова Л.Н., Аладин А.С., Смирнов В.А., Сулацкая Е.Ю., Эрлих В.В., Важенин А.В. Опыт применения индивидуальных титановых имплантатов для восстановления анатомической структуры носа. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2016; 18(3): 107–15.

Epishev V.V., Petrova L.N., Aladin A.S., Smirnov V.A., Sulatskaya E.Yu., Erlikh V.V., Vazhenin A.V. Experience of using individual titan implants in nasal reconstruction surgery. Russian Journal of Transplantology and Artificial Organs. 2016; 18(3): 107–15. (in Russian). doi: 10.15825/1995-1191-2016-3-107-115.

So E., Mandas V.H., Hlad L. Large osseous defect reconstruction using a custom three-dimensional printed titanium truss implant. J Foot Ankle Surg. 2018; 57(1): 196–204. doi: 10.1053/j.jfas.2017.07.019.

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