Эффективность стерилизации пучком ускоренных электронов гидрогеля для 3D-культивирования мезенхимальных мультипотентных клеток

Введение. Гидрогели перспективны для использования в тканевой инженерии для восстановления и регенерации различных тканей, поскольку способны выполнять функции объемных скаффолдов, обеспечивая формирование 3D клеточных структур. Заселение таких скаффолдов аутологичными или гетерогенными мезенхимальными мультипотентными стромальными клетками in vitro дает возможность локализовать эти клетки в  области тканей-мишеней после имплантации пациенту. Одной из сложных задач является выбор способа и режима стерилизации гидрогеля, не изменяющих его свойства.
Цель исследования – изучение эффективности стерилизации гидрогеля пучком ускоренных электронов в  различных режимах, изменения структуры и  биосовместимости скаффолда для  оценки перспектив его использования в медицинских целях, в том числе в качестве платформы для мезенхимальных стромальных клеток.
Материалы и методы. В работе использовали гидрогель на основе полисахаридов (4 % растворы альгината натрия и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы), сшитых хлоридом кальция, который был разработан, получен и предоставлен для наших исследований коллективом Научно-образовательного центра биомедицинской инженерии ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС». Образцы гидрогеля, нагруженные Escherichia coli, Lactobacillus acidophilus, Saccharomyces cerevisiae, были подвергнуты обработке пучком электронов в диапазоне 5–100 кГр. После электронно-лучевой обработки гидрогеля оценивали наличие живых микроорганизмов и  изменение его структуры методом инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, а  также фенотип мезенхимальных мультипотентных клеток и формирование ими 3D-структур.
Результаты. Было установлено, что режим обработки гидрогелей пучком электронов в режиме 25 кГр обеспечивает гибель микроорганизмов, не разрушая структуру гидрогеля, и не ингибирует способность формировать капилляроподобные структуры мезенхимальными мультипотентными клетками.
Заключение. Обработка пучком ускоренных электронов в режиме 25 кГр может быть использована с целью стерилизации гидрогелей для получения объемных скаффолдов клеточно-инженерных имплантатов.

1. Li Z., Chen Z., Chen H. et al. Polyphenol-based hydrogels: pyramid evolution from crosslinked structures to biomedical applications and the reverse design. Bioact Mater 2022;17:49–70. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2022.01.038

2. Santamaria G., Brandi E., Vitola P. et al. Intranasal delivery of mesenchymal stem cell secretome repairs the brain of Alzheimer’s mice. Cell Death Differ 2021;28(1):203–18. DOI: 10.1038/s41418-020-0592-2

3. Sultan M.T., Choi B.Y., Ajiteru O. et al. Reinforced-hydrogel encapsulated hMSCs towards brain injury treatment by transseptal approach. Biomaterials 2021;266:120413. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2020.120413

4. Kiselevskii M.V., Vlasenko R.Y., Stepanyan N.G. et al. Secretome of mesenchymal bone marrow stem cells: is it immunosuppressive or proinflammatory? Bull Exp Biol Med 2021;172(2):250–3. DOI: 10.1007/s10517-021-05371-5

5. Kiselevskiy M., Vlasenko R., Reshetnikova V. et al. Potential use of mesenchymal multipotent cells for hemopoietic stem cell transplantation: pro and contra. J Pediatr Hematol Oncol 2021;43(3):90–4. DOI: 10.1097/MPH.0000000000002065

6. Kakudo N., Morimoto N., Ma Y., Kusumoto K. Differences between the proliferative effects of human platelet lysate and fetal bovine serum on human adipose-derived stem cells. Cells 2019;8(10):1218. DOI: 10.3390/cells8101218

7. Kirsch M., Rach J., Handke W. et al. Comparative analysis of mesenchymal stem cell cultivation in fetal calf serum, human serum, and platelet lysate in 2D and 3D systems. Front Bioeng Biotechnol 2021;8:598389. DOI: 10.3389/fbioe.2020.598389

8. Shanbhag S., Rashad A., Nymark E.H. et al. Spheroid coculture of human gingiva-derived progenitor cells with endothelial cells in modified platelet lysate hydrogel. Front Bioeng Biotechnol 2021;9:739225. DOI: 10.3389/fbioe.2021.739225

9. Chahal A.S., Gomez-Florit M., Domingues R.M.A. et al. Human platelet lysate-loaded poly(ethylene glycol) hydrogel induce stem cell chemotaxis in vitro. Biomacromolecules 2021;22(8):3486–96. DOI: 10.1021/acs.biomac.1c00573

10. Ясюкевич А.С., Загородный Г.М., Потапнев М.П. и др. Показания, безопасность, результаты клинического использования аутологичной плазмы, обогащенной растворимыми факторами тромбоцитов, и дальнейшие перспективы ее изучения. Прикладная спортивная наука 2021;1(13):100–9.

11. Gallego M., López C., Carmona J.U. Carmon Evaluation of the pro-, anti-inflammatory, and anabolic effects of autologous platelet-rich gel supernatants in an in vitro coculture system of canine osteoarthritis. Vet Med Int 2022;2022:3377680. DOI: 10.1155/2022/3377680

12. Lei T., Liu Y., Deng S. et al. Hydrogel supplemented with human platelet lysate enhances multi-lineage differentiation of mesenchymal stem cells. J Nanobiotechnology 2022;20(1):176. DOI: 10.1186/s12951-022-01387-9

13. Senatov F., Anisimova N., Kiselevskiy M. et al. Polyhydroxybutyrate/hydroxyapatite highly porous scaffold for small bone defects replacement in the nonload-bearing parts. J Bionic Eng 2017;14(4): 648–58. DOI: 10.1016/S1672-6529(16)60431-6

14. Galante R., Pinto T.J.A., Colaço R., Serro A.P. Sterilization of hydrogels for biomedical applications: a review. J Biomed Mater Res B Appl Biomater 2018;106(6):2472–92. DOI: 10.1002/jbm.b.34048

15. Sedlacek O., Kucka J., Monnery B.D. et al. The effect of ionizing radiation on biocompatible polymers: from sterilization to radiolysis and hydrogel formation. Polym Degrad Stab 2017;137:1–10. DOI: 10.1016/j.polymdegradstab.2017.01.005

16. Zhang K., Wang Y., Wei Q. et al. Design and fabrication of sodium alginate/carboxymethyl cellulose sodium blend hydrogel for artificial skin. Gels 2021;7(3):115. DOI: 10.3390/gels7030115

17. Osidak E.O., Karalkin P.A., Osidak M.S. et al. Viscoll collagen solution as a novel bioink for direct 3D bioprinting. J Mater Sci Mater Med 2019;30(3):31. DOI: 10.1007/s10856-019-6233-y

18. Pavlov Yu.S., Bystrov P.A. Software and hardware complex for radiation processing facility control. Radiat Phys Chem 2022;196:110110. DOI: 10.1016/j.radphyschem.2022.110110

19. Choudhary R., Venkatraman S.K., Bulygina I. et al. Biomineralization, dissolution and cellular studies of silicate bioceramics prepared from eggshell and rice husk. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl 2021;118:111456. DOI: 10.1016/j.msec.2020.111456