Массивные костные дефекты, которые возникают после хирургического вмешательства или сильной механической травмы, не восстанавливаются спонтанно и требуют значительного количества костной пластики и времени. В настоящее время большие надежды в регенерации массивных костных дефектов обоснованно связывают сприменением ткане-инженерных материаловдля восстановления структурно-функциональных характеристик поврежденной костной ткани в комбинации со стволовыми клетками, ростовыми факторами и природными биополимерами. В данном проекте мы планируем разработать инъекционный гидрогель с остеоиндуктивными и остеогенными свойствами на основе гепарин-конъюгированного фибринового гидрогеля (ГКФГ), костного морфогенетического белка BMP-2 и перицитов жировой ткани и изучить его терапевтическую эффективность на модели с массивными костными дефектами.

Актуальность

Восстановление массивных костных дефектов остается одной из сложных и до конца не решенных проблем в травматологии и ортопедии. Массивные костные дефекты, которые возникают после хирургического удаления опухоли кости или сильной травмы, не восстанавливаются спонтанно и требуют значительного объема костной пластики. В настоящее время для лечения массивных костных дефектов используются различные методы остеоплатики с использованием аутологичных и аллогенных остеографтов, а также костных заменителей. Использование костных заменителей не всегда приводит к полному восстановлению массивных костных дефектов. В связи с этим, в настоящее время большие надежды в регенерации массивных костных дефектов обоснованно связывают с применением тканеинженерных биоматериалов для эффективного восстановления структурно-функциональных характеристик  поврежденных костей с использованием стволовых клеток, факторов роста и биополимеров или скаффолдов.

Среди всех биоматериалов, гидрогели получили наиболее широкий интерес, особенно в использовании в качестве каркаса в тканевой инженерии костной ткани, из-за их структурного сходства с внеклеточным матриксом (ВКМ) и пористостью каркаса, что делает их более подходящим биополимером для трансплантации и пролиферации клеток.

В данном проекте планируется разработать инъекционный гепарин-конъюгированный фибриновый гидрогель(ГКФГ), содержащий перициты жировой ткани  и остеоиндуктивный фактор BMP-2 и для эффективной регенерации массивных костных дефектов. Предполагается, что добавление перицитов жировой ткани в ГКФГ повысит его терапевтическую эффективность в лечении массивных костных дефектов за счет повышенной остеогенной дифференцировки и секрекции ангиогенных ростовых факторов перицитов. Для сравнения терапевтического потенциала  ГКФГ содержащий перициты будет использован ГКФГ с СВФ клетками, который покажет роль перицитов в ускорении регенерации поврежденной ткани. Полученные результаты проекта будут иметь высокую научную и практическую значимость для развития регенеративной медицины и тканевой инженерии в Казахстане.  Научная значимость работы будет заключаться в получении новых сведений о механизмах репарации поврежденной костной ткани с участием перицитов жировой ткани и BMP-2.

Цель

Разработка инъекционногофибринового гидрогеля, содержащий перициты жировой ткани и BMP-2 для эффективной регенерации массивных костных дефектов.

Ожидаемые результаты

В результате проведенных исследований будет разработан инъекционный гепарин-конъюгированный фибриновый гидрогель с инкапсулированными перицитамии BMP-2, способный восстановить массивные костные дефекты. Эффект восстановления будет достигаться за счет пролонгированного высвобождения BMP-2 и дифференцировки перицитов.

Научные результаты проекта после внедрения их в медицинскую практику позволят существенно повысить уровень оказываемых медицинских услуг в травматологии и ортопедии, улучшить качество жизни пациентов и снизить затраты государства на социальные выплаты по инвалидности.

Целевыми потребителями результатов проекта будут специализированные больницы и научные медицинские центры, нуждающихся в клеточной-заместительной терапии массивныхкостных дефектов, в первую очередь научно-исследовательские институты и отделения травматологии и ортопедии.

Руководитель проекта

Құдайберген Гүлшахар Құдайбергенқызы, PhD по специальности – 6D060600 – Химия. Имеет 8 лет общего стажа работы по специальности. Индекса Хирша – 2 (https://publons.com/researcher/1911902/gulshahar-kudaibergen/, https://orcid.org/0000-0002-0779-4099, Scopus ID 57201858284).

Члены исследовательской группы

Огай Вячеслав Борисович, к.б.н., заведующий лаборатории стволовых клеток НЦБ. Индекса Хирша – 13.(https://publons.com/researcher/3239343/vyacheslav-ogay/, Scopus ID —14827061500;ORCIDID —0000-0001-5029-5255).

Исабекова Асель Саниярбековна, Ph.D. Индекса Хирша – 3. (https://publons.com/researcher/3821671/assel-issabekova/, http://orcid.org/0000-0002-8844-2510).

Сапаров Арман, PhD, доктор медицинских наук, ассоциированный профессор. (H-index) = 13; Scopus ID – 56989577000, ORCIDID —0000-0002-4407-1236.

Сәрсенова Мәдина Арыстанқызы, магистр наук, PhD докторант Школы медицины Назарбаев Университета, научный сотрудник лаборатории стволовых клеток РГП «Национальный центр биотехнологии». ИндексХирша (H-index) = 1; ORCIDID — 0000-0000-3268-22232.

Публикации и охранные документы по теме проекта

1. Burkeev M. Zh., Burkeeva G. K., Kudaibergen G.,Seilkhanov T. M. et al.New Polyampholyte Polymers Based on Polypropylene Glycol Fumarate with Acrylic Acid and Dimethylaminoethyl Methacrylate//Russian Journal of Applied Chemistry. – 2018. — V. 91, № 7. – Р. 1145-1152. (IF=0.69, Q4). DOI: 1134/S1070427218070121
2. Sarsenbekova A. Zh., Kudaibergen G., Burkeev Zh., Burkeeva G. Comparative Analysis of the Thermal Decomposition Kinetics of Polyethylene Glycol Fumarate–Acrylic Acid Copolymers //Russian Journal of Physical Chemistry A. – 2019. — V. 93, № 7. – Р. 1252–1257. (IF=0.719, Q4). DOI: 10.1134/S0036024419060281
3. Burkeev M. Zh.; Kudaibergen G. K.;Tazhbayev Ye. M.et al. Synthesis and investigation of copolymer properties on the basis of poly(ethylene glycol) fumarate and methacrylic acid // Bulletin of University of Karaganda. – Series Chemistry.  – 2019. — № 1 (93). – Р. 25-31. DOI: 31489/2019CH1/32-38
4. Burkeev M. Zh., Burkeeva G. K., Kudaibergen G., al. The number average and mass average molar masses of polyethylene(propylene)glycol fumarates // Bulletin of University of Karaganda. – Series Chemistry. – 2018. — № 2 (90). – Р. 17-22.
5. Zh., Zhumanazarova G.M., Tazhbayev E.M., Kudaibergen G.K.et. al.Poly (propylene fumarate phthalate) and acrylic acid radical copolymerization constants and parameters // Bulletin of University of Karaganda. – Series Chemistry. – 2020. — № 1 (97). – Р. 68-74.DOI 10.31489/2020Ch1/68-74
6. Жакина А.Х., Василец Е.П., Кудайберген Г.К., Арнт О.В. Патент № 3156 на полезную модель от 17.09.2018 «Способ получения магнитного гуминового сорбента»
7. Мулдахметов З.М., Амирханова А.К., Жакина А.Х., Кудайберген Г.К. и др. Патент № 3157 на полезную модель от 17.09.2018 «Способ получения гуминоминерального сорбента для извлечения тяжелых металлов»
8. Буркеев М.Ж.,Тажбаев Е.М., Кудайберген Г.К. и др. Патент № 33266 на изобретение от 07.11.2018 г. «Способ получения ненасыщенных полиэфирных смол на основе пропиленгликоля и фумаровой кислоты»
9. Ogay V, Kumasheva V, Li Y, Mukhlis S, Sekenova A, Olzhayev F, Tsoy A, Umbayev B, Askarova S, Shpekov A, Kaliyev A, Zhetpisbayev B, Makhambetov Y, Akshulakov, S, Saparov A, Ramankulov Y. Improvement of Neurological Function in Rats with Ischemic Stroke by Adipose-derived Pericytes. Cell Transplant. 2020 Jan-Dec;29:963689720956956. (IF=3.341(2019), Q2). DOI: 10.1177/0963689720956956.
10. Akilbekova D,Ogay V, Yakupov T, Sarsenova M, Umbayev B, Nurakhmetov A, Tazhin K, Yakovlev VV, Utegulov ZN. Brillouin spectroscopy and radiography for assessment of viscoelastic and regenerative properties of mammalian bones. J Biomed Opt. 2018; 23(9):1-11. (IF=2.785(2019), Q2). DOI: 10.1117/1.JBO.23.9.097004
11. Jimi S, Jaguparov A, Nurkesh A, Sultankulov B,Saparov A. Sequential Deliveryof Cryogel Released Growth Factors and Cytokines Accelerates Wound Healing and Improves Tissue Regeneration. Front. Bioeng. Biotechnol. 2020, 8:345. (IF=3.644 (2019), Q2)
12. OgayV.,KumashevaV.,  BaidosovaS., LiY., ShpekovA.,  MakhambetovY., KaliyevA., ZhetpisbayevB., OlzhayevF.,  RamankulovY. Adipose-derived perivascular stem cells promote sensorimotor recovery after ischemic stroke in rats // JOURNAL OF BIOTECHNOLOGY, 2017; 256: S112. (IF=3.503 (2019), Q2). DOI: 10.1016/j.jbiotec.2017.06.1196
13. Mansurov N, Chen CWC, Awada H, Huard J, Wang Y, Saparov A. A controlled release system for simultaneous delivery of three human perivascular stem cell-derived factors for tissue repair and regeneration. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, 2018, 12(2): e1164-e1172.(IF=3.078(2019), Q2)
14. Sarsenova M., Kaliev Ye., Ogay V. Chondrogenesis of synovium-derived mesenchymal stem cells in heparin conjugated fibrin hydrogel containing TGF-β and BMP4 // J Tissue Sci Eng. — 2016. -Vol. 7(2). — P.173.
15. Chen CW, Okada M, Proto JD, Gao X, Sekiya N, Beckman SA, Corselli M, Crisan M, Saparov A, Tobita K, Péault B, Huard J. Human pericytes for ischemic heart repair. Stem Cells, 2013, 31(2):305-16. (IF=6.022(2019), Q1)
16. Sarsenova M., Nurakhmetov A.N., Karzhauov M., Tazhin K.B., Ospanov K.T., Zhamikesheva A., Ramankulov E.M., Ogay V.B. The use of heparin-conjugated fibrin hydrogel containing periosteum derived stem cells and osteoinductive factor to promote regeneration of massive bone defects. Traumatology and Orthopedics 2018; 1-2(43-44):74-81.
17. ЖунусоваМ. С., ИсабековаА. С., ОгайВ.Б. Химио резистентность раковых стволовых клеток, выделенных из клеточной линии SW620 колоректального рака //Internationalinnovationresearch. – 2018. – С. 42-46.  
18. Issabekova A., Zhumabekova M., Sarsenova M., Ogay V. Dendritic-cell based therapeutic cell-free vaccine for colorectal cancer//Международный симпозиум «АстанаБиотех». — 2018. — С.32.

Достигнутые результаты

2021 г.

Методом проточной цитометрии и клеточного сортинга были выделены CD146+CD34- перициты жировой ткани крыс. Перициты экспрессировали маркеры характерные как для мезенхимальных стволовых клеток (CD73, CD90, CD105), так и для периваскулярных клеток (CD146, PDGFR, NG2). Перициты жировой ткани крыс имели фибробластоподобную морфологию, обладали способностью образовывать колонии и дифференцироваться в адипоциты, хондроциты и остеобласты.  С помощью карбодиимидного химического метода был получен гепарин-конъюгированный фибриноген, который использовался для создания гепарин-конъюгированных фибриновых гидрогелей (ГКФГ). В результате, в данной работе были получены два вида ГКФГ: гидрогель с инкапсулированными перицитами жировой ткани и гидрогель с остеоиндуктивным фактором ВМР-2. Было обнаружено, что перициты сохраняют свою жизнеспособность после инкапсуляции в ГКФГ, что указывает на то, что полученный гидрогель является биосовместимым и не токсичным для клеток. Результаты по кинетике высвобождения ВМР-2 из ГКФГ показали, что полученный гидрогель способен удерживать ВМР-2 и значительно медленнее высвобождать их в фосфатный буфер по сравнению фибриновым гидрогелем. Кроме того, было впервые выявлено, что ВМР-2 снижает пролиферативную активность перицитов, но значительно усиливает их остеогенную дифференцировку.