Выпуск 23-3, 2024

Обзорная статья

https://doi.org/10.38025/2078-1962-2024-23-3-69-76

Обоснование использования магниточувствительных биоматериалов в клинической практике для стимуляции регенерации костных тканей: обзор литературы

Посмотреть статью (PDF файл для скачивания)



XML файл для скачивания

1 ORCIDМарков П.А, 1 ORCIDКостромина Е.Ю., 1 ORCIDЕремин П.С., 1 ORCIDФесюн А.Д.

1ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр реабилитации и курортологии» Минздрава России, Москва, Россия


РЕЗЮМЕ

ВВЕДЕНИЕ. В настоящее время интенсивно ведутся разработки новых биоматериалов для повышения эффективности восстановления повреждений твердых и мягких тканей. Предложены новые подходы и методы функционализации биоматериалов, позволяющие повысить регенеративный потенциал биомиметических конструкций, в том числе используемых для восстановления поврежденной или утраченной костной ткани. Одним из таких методов является использование магнитных наночастиц (МНЧ). Данный подход является новым и пока еще мало изученным, тем не менее ежегодное увеличение количества публикаций по данной теме свидетельствует об интересе и перспективности изучения медико-биологических свойств МНЧ.

ЦЕЛЬ. Провести литературный обзор научно-исследовательских работ, посвященных изучению действия магниточувствительных биоматериалов на функциональную активность клеток, участвующих в восстановлении поврежденной костной ткани.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ. Литературный обзор проводился по базам данных PubMed и Scopus. Ключевые слова, используемые для проведения поиска: «magnetic nanoparticles» (магнитные наночастицы), «биоматериалы» (biomaterials), «остеоиндукция» (osteoinduction), «регенерация кости» (bone regeneration). Даты запросов — февраль-март 2024 г., глубина запроса — 2000–2024 гг.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ. Предложены новые подходы и методы функционализации биоматериалов. Одним из таких подходов является использование МНЧ. Традиционно в медицине МНЧ применяются в качестве контрастного агента для улучшения визуализации раковых опухолей, кроме того, МНЧ могут выступать в качестве матрицы в системах адресной доставки лекарственных средств и в гипертермической терапии раковых опухолей. Новые экспериментальные данные показывают, что использование МНЧ в качестве магниточувствительного компонента в биоматериалах — перспективный способ стимуляции восстановления костных дефектов и переломов. Показано, что модифицированные наночастицами биоматериалы стимулируют остеогенную дифференцировку стволовых клеток, повышают пролиферативную активность и секрецию белков межклеточного матрикса костными клетками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Интеграция МНЧ с органическими и синтетическими полимерами и другими биомиметическими конструкциями — перспективное направление для создания биоматериалов медицинского назначения, направленных на повышение эффективности регенерации костных дефектов. Использование магниточувствительных биоматериалов позволяет создавать «умные» тканеинженерные конструкции, управляемые внешними электромагнитными стимулами.


КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: электромагнитное поле, магнитные наночастицы, биоматериалы, остеоиндукция, регенерация кости

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ: Данное исследование не было поддержано никакими внешними источниками финансирования.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ: Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ:

Марков П.А., Костромина Е.Ю., Фесюн А.Д., Еремин П.С. Обоснование использования магниточувствительных биоматериалов в клинической практике для стимуляции регенерации костных тканей: обзор литературы. Вестник восстановительной медицины. 2024; 23(3):69-76. https://doi.org/10.38025/2078-1962-2024-23-3-69-76 [Markov P.A., Kostromina E.Yu., Fesyun A.D., Eremin P.S. Rationale of Using Magnetically Sensitive Biomaterials in Bone Tissue Therapy: a Review. Bulletin of Rehabilitation Medicine. 2024; 23(3):69-76. https://doi.org/10.38025/2078-1962-2024-23-3-69-76 (In Russ.).]

ДЛЯ КОРРЕСПОНДЕНЦИИ:

Марков Павел Александрович, Е-mail: markovpa@nmicrk.ru, p.a.markov@mail.ru 


Список литературы:

  1. Battafarano G., Rossi M., De Martino V., et al. Strategies for Bone Regeneration: From Graft to Tissue Engineering. International Journal of Molecular Sciences. 2021; 22(3): 1128. https://doi.org/10.3390/ijms22031128
  2. Sawkins M.J., Bowen W., Dhadda P., et al. Hydrogels derived from demineralized and decellularized bone extracellular matrix. Acta Biomatererials. 2013; 9(8): 7865–7873. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2013.04.029
  3. Zhai P., Peng X., Li B., et al. The application of hyaluronic acid in bone regeneration. International Journal of Biological Macromolecules. 2020; 151: 1224–1239. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.10.169
  4. Yu L., Wei M. Biomineralization of Collagen-Based Materials for Hard Tissue Repair. International Journal of Molecular Sciences. 2021; 22(2): 944. https://doi.org/10.3390/ijms22020944
  5. Jooken S., Deschaume O., Bartic C. Nanocomposite Hydrogels as Functional Extracellular Matrices. Gels. 2023; 9(2): 153. https://doi.org/10.3390/gels9020153
  6. Vermeulen S., Tahmasebi Birgani Z., Habibovic P. Biomaterial-induced pathway modulation for bone regeneration. Biomaterials. 2022; 283: 121431. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121431
  7. Noro J., Vilaça-Faria H., Reis R.L., Pirraco R.P. Extracellular matrix-derived materials for tissue engineering and regenerative medicine: A journey from isolation to characterization and application. Bioactive Materials. 2024; 17(34): 494–519. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.01.004
  8. Amani H., Kazerooni H., Hassanpoor H., et al. Tailoring synthetic polymeric biomaterials towards nerve tissue engineering: a review. Artificial Cells, Nanomedicine, and Biotechnology. 2019; 47(1): 3524–3539. https://doi.org/10.1080/21691401.2019.1639723
  9. Bonewald L.F. The amazing osteocyte. Journal of Bone and Mineral Research. 2011; 26(2): 229–38. https://doi.org/10.1002/jbmr.320
  10. Delgado-Calle J., Bellido T. The osteocyte as a signaling cell. Physiological Reviews. 2022; 102(1): 379–410. https://doi.org/10.1152/physrev.00043.2020
  11. Cui J., Shibata Y., Zhu T., et al. Osteocytes in bone aging: Advances, challenges, and future perspectives. Ageing Research Reviews. 2022; 77: 101608. https://doi.org/10.1016/j.arr.2022.101608
  12. Shen L., Hu G., Karner C.M. Bioenergetic metabolism in osteoblast differentiation. Current Osteoporosis Reports. 2022; 20(1): 53–64. https://doi.org/10.1007/s11914-022-00721-2
  13. Ponzetti M., Rucci N. Osteoblast differentiation and signaling: established concepts and emerging topics. International Journal of Molecular Sciences. 2021; 22(13): 6651. https://doi.org/10.3390/ijms22136651
  14. Everts V., Delaissé J.M., Korper W., et al. The bone lining cell: its role in cleaning Howship’s lacunae and initiating bone formation. Journal of Bone and Mineral Research. 2002; 17(1): 77–90. https://doi.org/10.1359/jbmr.2002.17.1.77
  15. Clarke B. Normal bone anatomy and physiology. Clinical Journal Of The American Society Of Nephrology. 2008; 3(3): S131–S139. https://doi.org/10.2215/CJN.04151206
  16. Hong A.R., Kim K., Lee J.Y., et al. Transformation of mature osteoblasts into bone lining cells and RNA sequencing-based transcriptome profiling of mouse bone during mechanical unloading [published correction appears in Endocrinology and Metabolism (Seoul). 2021; 36(6): 1314]. Endocrinology and Metabolism (Seoul). 2020; 35(2): 456–469. https://doi.org/10.3803/EnM.2020.35.2.456
  17. Kim S.W., Pajevic P.D., Selig M., et al. Intermittent parathyroid hormone administration converts quiescent lining cells to active osteoblasts. Journal of Bone and Mineral Research. 2012; 27(10): 2075–2084. https://doi.org/10.1002/jbmr.1665
  18. Madel M.B., Ibáñez L., Wakkach A., et al. Immune function and diversity of osteoclasts in normal and pathological conditions. Frontiers in Immunology. 2019; 10: 1408. https://doi.org/10.3389/fimmu.2019.01408
  19. Takegahara N., Kim H., Choi Y. Unraveling the intricacies of osteoclast differentiation and maturation: insight into novel therapeutic strategies for bone-destructive diseases. Experimental & Molecular Medicine. 2024; 56: 264–272. https://doi.org/10.1038/s12276-024-01157-7
  20. Dominici M., Le Blanc K., Mueller I., et al. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy. 2006; 8(4): 315–317. https://doi.org/10.1080/14653240600855905
  21. Lee Y.C., Chan Y.H., Hsieh S.C., et al. Comparing the osteogenic potentials and bone regeneration capacities of bone marrow and dental pulp mesenchymal stem cells in a rabbit calvarial bone defect model. International Journal of Molecular Sciences. 2019; 20(20): 5015. https://doi.org/10.3390/ijms20205015
  22. Xu W., Yang Y., Li N., Hua J. Interaction between mesenchymal stem cells and immune cells during bone injury repair. International Journal of Molecular Sciences. 2023; 24(19): 14484. https://doi.org/10.3390/ijms241914484
  23. Song N., Scholtemeijer M., Shah K. Mesenchymal stem cell immunomodulation: mechanisms and therapeutic potential. Trends in Pharmacological Sciences. 2020; 41: 653–664. https://doi.org/10.1016/j.tips.2020.06.009
  24. Dunn C.M., Kameishi S., Grainger D.W., Okano T. Strategies to address mesenchymal stem/stromal cell heterogeneity in immunomodulatory profiles to improve cell-based therapies. Acta Biomaterialia. 2021; 133: 114–125. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2021.03.069
  25. Nurettin S., İbrahim A., Yusuf B., Muammer K. Superparamagnetic nanoarchitectures: Multimodal functionalities and applications. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021; 538: 168300. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168300.
  26. Rarokar N., Yadav S., Saoji S., et al. Magnetic nanosystem a tool for targeted delivery and diagnostic application: Current challenges and recent advancement. International Journal of Pharmaceutics. 2024; 7: 100231. https://doi.org/10.1016/j.ijpx.2024.100231
  27. Akbarzadeh A., Samiei M., Davaran S. Magnetic nanoparticles: preparation, physical properties, and applications in biomedicine. Nanoscale Research Letters. 2012 21; 7(1): 144. https://doi.org/10.1186/1556-276X-7-144
  28. Andrade R.G.D., Veloso S.R.S., Castanheira E.M.S. Shape Anisotropic Iron Oxide-Based Magnetic Nanoparticles: Synthesis and Biomedical Applications. International Journal of Molecular Sciences. 2020; 21(7): 2455. https://doi.org/10.3390/ijms21072455
  29. Elahi N., Rizwan M. Progress and prospects of magnetic iron oxide nanoparticles in biomedical applications: A review. Artificial Organs. 2021; 45(11): 1272–1299. https://doi.org/10.1111/aor.14027
  30. Nemati Z., Alonso J., Rodrigo I., et al. Improving the heating efficiency of iron oxide nanoparticles by tuning their shape and size. Journal of Physical Chemistry C. 2018; 122: 2367–81. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b10528
  31. Arami H., Teeman E., Troksa A., et al. Tomographic magnetic particle imaging of cancer targeted nanoparticles. Nanoscale. 2017; 9(47): 18723–18730. https://doi.org/10.1039/c7nr05502a
  32. Lin J., Wang M., Hu H., et al. Multimodal-Imaging-Guided Cancer Phototherapy by Versatile Biomimetic Theranostics with UV and γ-Irradiation Protection. Advanced Materials. 2016; 28(17): 3273–3279. https://doi.org/10.1002/adma.201505700
  33. Estelrich J., Sánchez-Martín M.J., Busquets M.A. Nanoparticles in magnetic resonance imaging: from simple to dual contrast agents. International Journal of Nanomedicine. 2015; 10: 1727–1741. https://doi.org/10.2147/IJN.S76501
  34. Baki A., Wiekhorst F., Bleul R. Advances in magnetic nanoparticles engineering for biomedical applications- A review. Bioengineering (Basel). 2021; 8(10): 134. https://doi.org/10.3390/bioengineering8100134
  35. Tayyaba A., Nazim H., Hafsa, et al. Magnetic nanomaterials as drug delivery vehicles and therapeutic constructs to treat cancer. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 2023; 80: 104103. https://doi.org/10.1016/j.jddst.2022.104103
  36. Ulbrich K., Holá K., Šubr V., et al. Targeted Drug Delivery with Polymers and Magnetic Nanoparticles: Covalent and Noncovalent Approaches, Release Control, and Clinical Studies. Chemical Reviews. 2016; 116(9): 5338–5431. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00589
  37. Cao Z, Wang D., Li Y., et al. Effect of nanoheat stimulation mediated by magnetic nanocomposite hydrogel on the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. Science China Life Sciences. 2018; 61(4): 448–456. https://doi.org/10.1007/s11427-017-9287-8
  38. Li Z., Xue L., Wang P., et al. Biological Scaffolds Assembled with Magnetic Nanoparticles for Bone Tissue Engineering: A Review. Materials (Basel). 2023; 16(4): 1429. https://doi.org/10.3390/ma16041429
  39. Li M., Fu S., Cai Z., et al. Dual Regulation of Osteoclastogenesis and Osteogenesis for Osteoporosis Therapy by Iron Oxide Hydroxyapatite Core/Shell Nanocomposites. Regenerative Biomatererials. 2021; 8(5): rbab027. https://doi.org/10.1093/rb/rbab027.
  40. Wang Q., Chen B., Cao M., et al. Response of MAPK Pathway to Iron Oxide Nanoparticles in Vitro Treatment Promotes Osteogenic Differentiation of hBMSCs. Biomaterials. 2016; 86: 11–20. https://doi.org/10.1016/j.bimaterials.2016.02.004
  41. Liu W., Zhao H., Zhang C., et al. In situ activation of flexible magnetoelectric membrane enhances bone defect repair. Nature Communications. 2023; 14(1): 4091. https://doi.org/10.1038/s41467-023-39744-3
  42. Hu S., Zhou Y., Zhao Y., et al. Enhanced bone regeneration and visual monitoring via superparamagnetic iron oxide nanoparticle scaffold in rats. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 2018; 12(4): e2085–e2098. https://doi.org/10.1002/term.2641
  43. Hao L., Li L., Wang P., et al. Synergistic osteogenesis promoted by magnetically actuated nano-mechanical stimuli. Nanoscale. 2019; 11(48): 23423–23437. https://doi.org/10.1039/c9nr07170a
  44. Silva E.D., Babo P.S., Costa-Almeida R., et al. Multifunctional magnetic-responsive hydrogels to engineer tendon-to-bone interface. Nanomedicine. 2018; 14(7): 2375–2385. https://doi.org/10.1016/j.nano.2017.06.002
  45. Shou Y., Le Z., Cheng H.S., et al. Mechano-Activated Cell Therapy for Accelerated Diabetic Wound Healing. Advanced Materials. 2023; 35(47): e2304638. https://doi.org/10.1002/adma.202304638
  46. Safronov A.P., Beketov I.V., Bagazeev A.V., et al. In Situ Encapsulation of Nickel Nanoparticles in Polysaccharide Shells during Their Fabrication by Electrical Explosion of Wire. Colloid Journal. 2023; 85: 541–553. https://doi.org/10.1134/S1061933X23600410
  47. Popov S.V., Markov P.A., Popova G.Yu., et al. Anti-inflammatory activity of low and high methoxylated citrus pectins. Biomedicine & Preventive Nutrition. 2013; 3(1): 59–63. https://doi.org/10.1016/j.bionut.2012.10.008
  48. Марков П.А., Волкова М.В., Хасаншина З.Р. и др. Противовоспалительное действие высоко- и низкометилэтерифицированных яблочных пектинов in vivo и in vitro. Вопросы питания. 2021; 90 (6): 92–100. https://doi.org/10.33029/0042-8833-2021-90-6-92-100 [Markov P.A., Volkova M.V., Khasanshina Z.R., et al. Anti-inflammatory activity of high and low methoxylated apple pectins, in vivo and in vitro. Voprosy pitaniia [Problems of Nutrition]. 2021; 90(6): 92–100. https://doi.org/10.33029/0042-8833-2021-90-6-92-100 (In Russ.).]
  49. Gerstenfeld L.C., Cullinane D.M., Barnes G.L., et al. Fracture healing as a post-natal developmental process: molecular, spatial, and temporal aspects of its regulation. Journal of Cellular Biochemistry. 2003; 88(5): 873–884. https://doi.org/10.1002/jcb.10435
  50. Özkale B., Sakar M.S., Mooney D.J. Active biomaterials for mechanobiology. Biomaterials. 2021; 267: 120497. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2020.120497
  51. Elashry M.I., Baulig N., Wagner A.S., et al. Combined macromolecule biomaterials together with fluid shear stress promote the osteogenic differentiation capacity of equine adipose-derived mesenchymal stem cells. Stem Cell Research & Therapy. 2021; 12(1): 116. https://doi.org/10.1186/s13287-021-02146-7
  52. Chen G., Dong C., Yang L., Lv Y. 3D Scaffolds with Different Stiffness but the Same Microstructure for Bone Tissue Engineering. ACS Applied Materials & Interfaces. 2015; 7(29): 15790–15802. https://doi.org/10.1021/acsami.5b02662
  53. Lo C.M., Wang H.B., Dembo M., Wang Y.L. Cell movement is guided by the rigidity of the substrate. Biophysical Journal. 2000; 79(1): 144–152. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(00)76279-5
  54. Horie S., Nakatomi C., Ito-Sago M., et al. PIEZO1 promotes ATP release from periodontal ligament cells following compression force. European Orthodontic Society. 2023; 45(5): 565–574. https://doi.org/10.1093/ejo/cjad052
  55. McWhorter F.Y., Wang T., Nguyen P., et al. Modulation of macrophage phenotype by cell shape. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2013; 110(43): 17253–17258. https://doi.org/10.1073/pnas.1308887110
  56. Goswami R., Arya R.K., Sharma S., et al. Mechanosensing by TRPV4 mediates stiffness-induced foreign body response and giant cell formation. Science Signaling. 2021; 14(707): eabd4077. https://doi.org/10.1126/scisignal.abd4077
  57. Di X., Gao X., Peng L., et al. Cellular mechanotransduction in health and diseases: from molecular mechanism to therapeutic targets. Signal Transduction and Targeted Therapy. 2023; 8(1): 282. https://doi.org/10.1038/s41392-023-01501-9
  58. Mariño K.V., Cagnoni A.J., Croci D.O., Rabinovich G.A. Targeting galectin-driven regulatory circuits in cancer and fibrosis. Nature Reviews Drug Discovery. 2023; 22(4): 295–316. https://doi.org/10.1038/s41573-023-00636-2
  59. Dees C., Chakraborty D., Distler J.H.W. Cellular and molecular mechanisms in fibrosis. Experimental Dermatology. 2021; 30(1): 121-131. https://doi.org/10.1111/exd.14193
  60. Przekora A. Current trends in fabrication of biomaterials for bone and cartilage regeneration: materials modifications and biophysical stimulations. International Journal of Molecular Sciences. 2019; 20(2): 435. https://doi.org/10.3390/ijms20020435
  61. Babaniamansour P., Salimi M., Dorkoosh F., Mohammadi M. Magnetic Hydrogel for Cartilage Tissue Regeneration as well as a Review on Advantages and Disadvantages of Different Cartilage Repair Strategies. BioMed Research International. 2022; 2022: 7230354. https://doi.org/10.1155/2022/7230354
  62. Bettaie F., Khiari R., Dufresne A., et al. Mechanical and thermal properties of Posidoniaoceanica cellulose nanocrystal reinforced polymer. Carbohydrate Polymers. 2015; 123: 99–104. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2015.01.026
  63. Shi Y., Li Y., Coradin T. Magnetically-oriented type I collagen-SiO2@Fe3O4 rods composite hydrogels tuning skin cell growth. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2020; 185: 110597. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2019.110597



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.

©
Эта статья открытого доступа по лицензии CC BY 4.0. Издательство: ФГБУ «НМИЦ РК» Минздрава России.