Эта работа опубликована в сборнике статей по материалам 70-й Юбилейной итоговой научной студенческой конференции им. Н.И. Пирогова (г. Томск, 16-18 мая 2011 г.), под ред. В. В. Новицкого, Л. М. Огородовой. − Томск: Сибирский государственный медицинский университет, 2011. − 430 с.

 

Скачать сборник (формат MS Word, 7,3 мб)

Посмотреть основную информацию о сборнике, обложку и т.д.

 

Актуальность: основой для регенерации кости является костный матрикс, состоящий, в основном, из гидроксилапатита (ГАП). Недавно получены первые количественные результаты прямого воздействия скеффолдов, имитирующих физико-химические свойства нативной кости, на дифференцировку ММСК человека в остеобласты [1]. С другой стороны, известно опосредованное влияние кости на ММСК через ионы кальция, выделяющиеся при ее ремоделировании [2], а также при биодеградации и биорезорбции ГАП-содержащих (биоактивных) материалов. Разработка методологии, позволяющей оценить структурно-функциональное состояние ММСК, имеет большое фундаментальное и прикладное значение для медицинского материаловедения и биоинженерии  костной ткани.

   
Цель: изучить in vitro опосредованное влияние продуктов деградации кальцийфосфатных (КФ) покрытий на наноструктурной подложке, имитирующих состояние поверхности кости, на структурно-функциональное состояние культуры ММСК человека вне прямого контакта с искусственным материалом.

Материалы и методы: работа выполнялась на базе НОЦ “Биосовместимые материалы и биоинженерия” при НИ ТПУ и СибГМУ (г. Томск) с декабря 2010 по февраль 2011 года.

Объектом исследования были металлические (титан, цирконий-ниобиевый сплав) диски с двусторонними биосовместимыми КФ покрытиями, нанесенными микродуговым способом в электролите, содержащем наночастицы ГАП (10-40 нм), а также с биоинертной (титаноксидной) поверхностью. Источник ММСК человека – культура фибробластоподобных пренатальных клеток легкого человека (ООО “Банк стволовых клеток“, г. Томск).

Использовали комплексный методический подход:

Критерием разделения полученных данных на группы служил показатель фазового состава покрытий (биоинертные титаноксидные покрытия или биоактивные кальцийфосфатные) и металлической подложки  (цирконий-ниобиевый сплав или титан). Образцы в количестве 3 штук в каждой группе были изготовлены в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН в лаборатории физики наноструктурных биосовместимых композитов (рук. – д.ф-м.н., проф. Ю.П.Шаркеев). При оценке полученных данных были использованы методы статистического описания, а также методы проверки статистических гипотез, использующиеся в стандартных пакетах программ Statistica (версия 6.0). Для анализа имеющихся выборок данных использовали гипотезу нормальности распределения  (критерий Колмогорова-Смирнова). Для оценки достоверности различий выборок, не подчиняющихся критерию нормального распределения, использовали непараметрический критерий Манна-Уитни  (U-тест). Различия считались достоверными при уровне значимости р<0,05.

Результаты: По сравнению с контрольной культурой (клетки без добавления диска), титаноксидные покрытия на титане тормозили морфологическое (индекс округлости клеток вырос на 3 % в сравнении с контролем, p<0,0003) созревание ММСК человека, но усиливали их функциональное коммитирование в остеобласты (D=131 % от контроля, p<4×10-6). КФ покрытие на титановой подложке вызывало активное распластывание ММСК на пластике (рост средней площади клеток с 397 до 454 мкм², p<0,0005) и наиболее активное остеогенное коммитирование (оптическая плотность D=131 % от контроля, p<10-6). В то же время, правильная (округлая) форма клеток не менялась в сравнении с контролем. Цирконий-ниобиевая (ZrNb) металлическая подложка придавала КФ покрытию, сформированному аналогичным микродуговым методом, биоактивные свойства, отличные от КФ слоя на титане. Добавление подобных имплантатов в клеточную культуру приводило к максимальному распластыванию ММСК   (площадь клеток в среднем 475 мкм², p<2×10-6) и их морфологическому созреванию в фибробластоподобные формы (максимальная эллипсоидность 1,31 при 1,25 в контроле, p<0,0004) с псевдоподиями (минимальный индекс округлости 69 % при 74 % в контроле, p<7×10-6). Анализ ионного состава межклеточной жидкости клеточных культур показал статистически значимое накопление фосфатных групп (до 147-164 % от контроля), но не кальция, только в случае использования подложек с КФ покрытием. При этом максимальное схождение КФ слоя в жидкую фазу культуры отмечалось с  ZrNb субстрата. Другими словами, градиент фосфат-ионов в биологической жидкости при деградации имплантатов (ZrNb+КФ>Ti+КФ>TiO2) может, по-видимому, опосредовать ответную структурно-функциональную реакцию ММСК, связанную с их морфологической трансформацией в фибробластоподобные формы либо функциональным коммитированием в остеобласты.

Выводы:

1. Состав металлической подложки для нанесения КФ покрытия имеет существенное значение для физико-химических и биологических свойств поверхности биокомпозита.
2. Концентрация фосфатных ионов в межклеточной среде может служить триггером морфологических и функциональных изменений ММСК в процессе их созревания, выбора направления коммитирования и дифференцировки.