КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-45-06010

НазваниеМатериалы на основе сплавов магния для биoрезорбируемых имплантатов с противоопухолевой активностью

РуководительСтраумал Борис Борисович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2018 г. - 2020 г. 

Конкурс№20 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (Helmholtz).

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-101 - Экспериментальная медицина

Ключевые словаимплантаты, противоопухолевая активность, цитотоксичность, онкология, рак, цитостатики, ортопедия, остеосинтез, профилактика рецидивов, магниевые сплавы

Код ГРНТИ76.09.43


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Данный проект направлен на решение сложной проблемы современной онкологии: применение местной химиотерапии, целью которой является эффективная концентрация противоопухолевых агентов в интра - или перитуморальной области. Как ожидается, в результате применения данного подхода, который впервые предполагает использование биоразлагаемых скаффолдов на основе магниевых сплавов, будет получена циторедукция неоперабельных и обладающих резистентностью к химиотерапии опухолей, а также обеспечена профилактика местных рецидивов при одновременном снижении системных побочных эффектов для пациента. Использование биорезорбируемых скаффолдов на основе магниевых сплавов в контексте лечения рака представляет собой новый и совершенно не изученный подход. В результате его применения происходит постепенное высвобождение противоопухолевых агентов непосредственно в месте опухоли или в ложе удаленной опухоли для профилактики местных рецидивов. Новизна этой концепции состоит в сочетании «классического» высвобождения лекарственных препаратов с относительно жесткими условиями окружающей среды, которые создаются посредством разрушения имплантата, в частности, увеличения величины рН и осмоляльности, а также элюирования ионов редкоземельных элементов и серебра, играющих роль дополнительных противоопухолевых факторов. Противоопухолевая активность разработанных сплавов, используемых для создания имплантов, будет сначала исследована на стандартной модели меланомы B16, а затем будет дана оценка её потенциала для дальнейшего использования при замещении дефектов костей и профилактике рецидива остеосаркомы. Нахождение правильного баланса между темпами деструкции и циторедукции является трудной задачей, и в случае успеха проекта будет получено материаловедчески обоснованное решение, применимое для отдельных показаний к лечению рака. Магниевые сплавы являются идеальными кандидатами для таких имплантатов. Некоторые сплавы на основе магния пригодны для использования в биорезорбируемых имплантатах, а Центр им. Гельмгольца в г. Геестхахт (HZG) является мировым лидером по производству и изучению таких сплавов. На основе современных методов наноструктурирования, когда материалы подвергаются интенсивной пластической деформации, оказывается дополнительное влияние на механические свойства, биоразлагаемость и цитотоксичность магниевых сплавов. В части накопленного опыта и знаний в данной сфере Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (НИТУ «МИСиС») занимает ведущее место в мире. Это позволяет управлять локальными и системными реакциями биологических объектов на имплантаты в лабораторных условиях (in vitro) и на живом организме (in vivo), в частности, с точки зрения цитотоксичности и биодеструкции. Поэтому взаимодействие команды научного центра HZG с учеными-материаловедами, специалистами медико-биологического профиля и клиническими врачами из НИТУ «МИСиС» и Pоссийского онкологического научного центра им. Н.Н. Блохина (РОНЦ им Н. Н. Блохина), являющегося флагманским институтом в области исследования онкологических заболеваний в России, который станет неотъемлемой частью команды МИСиС, открывает большие перспективы. Объединение опыта и знаний, накопленных этими тремя учреждениями, затронет все аспекты этого в высшей степени инновативного и крайне интересного проекта.

Ожидаемые результаты
Разработка фундаментальных принципов получения биoрезорбируемых имплантатов на основе магниевых сплавов с противоопухолевой активностью позволит выйти на новый уровень создания инновационных медицинских средств для лечения онкологических больных, решив целый ряд проблем, связанных с локальной химиотерапией и реконструкцией дефектов костной ткани. Ожидается, что за счет снижения эффективной дозы цитостатиков такой подход может уменьшить побочные эффекты химиотерапии, в частности общую токсичность, обеспечив прямое внесение противоопухолевого агента в область развития опухоли и стабильное поддержание его эффективной концентрации в течение относительно длительного времени. Ожидается, что предлагаемая разработка будет востребована для предоперационной циторедукции нерезектабельных и относительно химиорезистентных опухолевых узлов, что предусматривает интра- или паратуморальное введение небольших имплантатов. Кроме того, использование разрабатываемых фундаментальных принципов имеет целью создание медицинских изделий для остеосинтеза дефектных участков черепа и скелета онкологических больных с остеосаркомой или внутрикостными метастазами после проведения циторедуктивных хирургических вмешательств. В данном случае применение разрабатываемых имплантатов направлено как на сохранение опорной и каркасной функции стенок реконструируемой кости, так и на предупреждение рецидивирования местного онкологического процесса. Такое свойство разрабатываемых медицинских средств как биорезорбируемость оказывается в данном случае значительным преимуществом: программируемая скорость биорезорбции магниевого сплава обеспечивает контролируемое постепенное высвобождение цитотоксических агентов (цитостатиков, свободных радикалов и ионов редкоземельных металлов), возможность физиологического удаления из области имплантации продуктов деградации и репарацию области дефекта аутологичными тканями пациента, замещающими синтетическую основу имплантата без потери функциональности кости. Таким образом, фундаментальные принципы получения биoрезорбируемых имплантатов, разрабатываемые в предлагаемой НИР, могут послужить основой для создания инновационных медицинских изделий, востребованных современной медициной и, в особенности, в онкологии для лечения людей и животных. Конкурентными преимуществами разработанных подходов станут, как ожидается, сочетание высоких механических и биологических характеристик, обеспечивающих надежность в процессе эксплуатации. В перспективе, разработанные методологические и технологические решения позволят выйти на новый уровень создания имплантатов опорно-двигательного аппарата, поскольку могут разрешить целый ряд проблем, связанных с лечением онкологических больных, реконструкцией дефектов костно-хрящевой ткани и влиянием на организм человека в целом, что дает возможность снизить количество ревизионных операций. Полученные результаты будут ориентированы на широкое применение в научно-исследовательских организациях и фирмах-производителях наукоемкой продукции. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для проведения прикладных научных исследований и в перспективе - опытно-технологических работ (ОТР), направленных на разработку технологии промышленного получения указанных продуктов медицинского и ветеринарного назначения. Создаваемые в рамках проекта фундаментальные подходы к получению биорезорбируемого имплантата с противоопухолевой активностью в перспективе предназначены для использования в различных отраслях медицинской и ветеринарной клинической практики, обеспечивающих проведение реконструктивных хирургических операций, направленных на обеспечение пластической целостности и восстановление функционирования опорно-двигательного аппарата людей и животных (пластическая хирургия, ортопедия, онкология, травматология, трансплантология), а также проведение циторедуктивной терапии онкологических больных в пре- и постоперационном периоде.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Ультрамелкозернистые (УМЗ) магниевые сплавы Mg-2%Ag, Mg-4%Ag и WE43 системы Mg-Y-Nd-Zr (3,56%Y, 2,20%Nd и 0,47%Zr, масс.%), содержащий редкоземельные элементы были получены равноканальным угловым прессованием (РКУП) в интервале температур 425 – 250оС. РКУП сплавов Mg-Ag в интервале температур 375 - 250оС с общим числом проходов N=12 привело к измельчению зерна с 42,9 до 3,2 мкм в сплаве Mg-2%Ag и с 40,8 до 2,8 мкм в сплаве Mg-4%Ag. РКУП сплава WE43 в интервале температур 425 – 300оC с общим числом проходов N=12 уменьшило исходное зерно с 70,0 до 0,69 мкм. Формирование наклоненной базисной текстуры в ходе РКУП Mg-Ag сплавов в интервале температур 375 – 250 оС несмотря на значительное измельчение структуры привело к уменьшению предела прочности с 220 до 182 МПа в сплаве Mg-2%Ag и с 225 до 204 МПа в сплаве Mg-4%Ag. При этом пластичность (удлинение) увеличивается с 17,2 до 23,7% и с 20,2 до 27,3%, соответственно. РКУП сплава WE43 в интервале температур 425 – 300 оС выявило формирование острой призматической текстуры, которая совместно с уменьшением зерна до 0,69 мкм обусловила одновременное повышение предела прочности с 220 до 300 МПа и пластичности (удлинения) с 10,5 до 13,2 %. В ходе проведенного исследования было изучено влияние сплавов магния, легированных серебром (Mg-2%Ag, Mg-4%Ag) и редкоземельными элементами (WE43) в гомогенизированном состоянии и после РКУП на жизнеспособность и пролиферативную активность линий опухолевых клеток человека различного гистогенеза. Было установлено, что сплавы на основе магния вызывали снижение жизнеспособности опухолевых клеток: LNCaP – в 3,2 – 3,9 раза, а на клетках линии MCF7 – в 1,2 – 1,9 раз в сравнении с контролем. Образцы сплава WE43 после РКУП обладали более выраженной цитотоксической активностью относительно опухолевых клеток в сравнении с гомогенизированным WE43. Цитотоксической активностью отличались также образцы Mg-4%Ag, которые вызывали гибель 27 – 38% опухолевых клеток различного гистогенеза. Снижение содержания серебра в сплаве магния до 2% практически лишало его цитотоксических свойств. Чистый магний также не вызывал значимого цитопатогенного эффекта при инкубации с опухолевыми клетками. Наибольший цитотоксический эффект был отмечен в отношении клеток эритробластного лейкоза К 562, однако, несмотря на достоверный цитотоксический эффект магниевых сплавов, большая часть популяции опухолевых клеток сохраняет свою жизнеспособность. Одним из возможных путей повышения противоопухолевых свойств магниевых сплавов может быть насыщение биоматериалов противоопухолевыми препаратами. Исследование противоопухолевой цитотоксической активности сплавов магния в комбинации с противоопухолевым препаратом цисплатином продемонстрировало усиление цитотоксического эффекта на уровне суммации эффективности цитостатика и продуктов деградации сплава. Полученные в исследовании данные позволяют заключить, что основным механизмом гибели опухолевых клеток при воздействии сплавов магния является апоптоз, что подтверждалось нарастанием экспрессии поверхностного маркера Annexin V на опухолевых клетках. Индукция апоптоза, вызванная исследованными сплавами на основе магния, обусловлена входящими в их состав легирующими элементами. Гибель опухолевых клеток по механизму апоптоза при инкубации со сплавами магния подтверждается снижением экспрессии в опухолевых клетках белка Bcl-2 и увеличением внутриклеточной концентрации каспазы 3 и 7. Чистый магний приводил к минимальному повышению данного показателя, который достоверно не отличался от такового для контрольной серии (3,7 ± 1,4% и 2,8 ± 0,6%, соответственно). Максимальное увеличение внутриклеточной концентрации каспаз 3 и 7 отмечено после инкубации клеток К 562 со сплавом Mg-4%Ag, в то время как сплав Mg-2%Ag и практически не влиял на рассматриваемый показатель. Наряду с ингибированием пролиферации сплавы магния приводили к снижению количества опухолевых клеток, находящихся в фазах митоза G2/M. Полученные данные позволяют также заключить, что сплавы магния с серебром и редкоземельными металлами (на примере сплава WE43) ингибируют пролиферативный потенциал опухолевых клеток за счет снижения их жизнеспособности, вследствие индукции каскада апоптоза, реализуемого за счет активации Bcl-2 и каспаз-зависимого клеточного цикла. При исследовании биосовметимости in vitro было установлено, что исследуемые образцы удовлетворяют требованиям гемосовместимости при краткосрочной коинкубации с клетками крови млекопитающих. Удлинение времени контакта клеток с образцами сплавов оказывает цитопатогенное воздействие. В частности, было установлено, что при совмеcтной инкубации in vitro в течение 4 часов испытуемые образцы на основе магния не вызывали статистически удостоверенного гемолиза. При удлинении продолжительности коинкубации до 20 часов сплав Mg-4%Ag индуцирует гемолиз 18 ± 6,1% относительно контроля, что достоверно выше, чем воздействие на клетки крови чистого магния. Аналогично, сплав WE43 потенцировал индукцию гемолиза. Цитопатогенное воздействие изученных сплавов на мононуклеарные лейкоциты (МЛ) крови выражается в достоверном снижении количества физиологически активных клеток после инкубации с образцами в течение 1 суток. Наибольший цитотоксический эффект, тестированный на мононуклеарных лейкоцитах, был отмечен у сплава Mg-4%Ag. По результатам проведенных исследований было установлено, что данные сплавы оказывают цитопатогенное воздействие на мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК), угнетая их пролиферацию и снижая количество функционально активных (живых) клеток в культуре. Согласно полученным данным анализа пролиферации ММСК в течение 10 суток было установлено, что в лунках с образцами уменьшилось количество клеток, способных к восстановлению МТТ, что ассоциировано со снижением количества живых клеток под воздействием данных сплавов, интенсивность пролиферации соответствовала 0%. Не отмечено достоверной разницы между эффектом воздействия образцов с серебром и образцом на основе чистого магния (р>0.05). В контроле наблюдали увеличение количества функционально активных клеток (р<0,05), интенсивность пролиферации соответствует в среднем 138%. В условиях 3D протестированные сплавы на основе магния демонстрировали антиангиогенный эффект, вызывая уменьшение прекапиллярных структур, формируемых мезенхимальными мультипотентными клетками. Инкубация в условиях in vitro сплавов на основе магния с иммунокомпетентными клетками крови приводила к незначительному угнетению спонтанной противоопухолевой активности, реализуемой натуральными киллерами (NK-активность). В качестве источника натуральных киллеров (NK) – клеток эффекторов врожденного иммунитета, использовали MЛ крови мышей. NK-активность оценивали на NK-чувствительной линии опухолевых клеток К-562, которые применяли в качестве мишеней реализации противоопухолевой реактивности. Согласно полученным данным, после коинкубации с образцами наблюдали достоверное снижение этого показателя по сравнению с контролем, отражающем уровень спонтанной неспецифической противоопухолевой клеточной реактивности (р<0.05). Вероятно, такой эффект обусловлен неспецифическим цитопатогенным воздействием данных сплавов, проявляющемся при удлинении времени коинкубации более 1 суток. Не наблюдали статистически достоверной разницы между воздействием чистого магния и его сплавов с серебром.

 

Публикации

1. Анисимова Н., Киселевский М., Мартыненко Н., Страумал Б., Виллумайт-Ромер Р., Добаткин С., Эстрин Ю. Cytotoxicity of biodegradable magnesium alloy WE43 to tumor cells in vitro: Bioresorbable implants with antitumor activity? Journal of Biomedical Materials Research - Part B Applied Biomaterials, - (год публикации - 2019)

2. Мартыненко Н., Лукьянова Е., Серебряный В., Просвирнин Д., Терентьев В., Рааб Г., Добаткин С., Эстрин Ю. Effect of equal channel angular pressing on structure, texture, mechanical and in-service properties of a biodegradable magnesium alloy Materials Letters, В печати, доступна онлайн с 12.12.2018 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.12.024

3. Киселевский М.В., Анисимова Н.Ю., Полоцкий Б.Е., Мартыненко Н.С., Лукьянова Е.А., Ситдикова С.М., Добаткин С.В., Эстрин Ю.З. Биоразлагаемые магниевые сплавы – перспективные материалы медицинского назначения Современные технологии в медицине, - (год публикации - 2019)


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Исследования оптимальной концентрации цисплатина для создания имплантатов с введенным лекарственным препаратом, обладающих противоопухолевой активностью, производили на трех линиях перевиваемых опухолевых клеток K562 (эритромиелоидный лейкоз человека), PC-3 (рак предстательной железы) и MDA-MB-231(рак молочных желез человека). Для оценки изменения выживаемости клеток после инкубации с цитостатиком в различных концентрациях использовали МТТ тест. Полученные на клетках линии К562 результаты свидетельствовали, что после инкубации с цисплатином в концентрации 0 выживаемость соответствовала 100%,1 µl/ml – 89 (88,4-90,6)%, 5 µl/ml – 49 (45,9-52,7)%, 25 µl/ml – 20 (19,5-20,5)%, 50 µl/ml – 4 (4,1-4,3)%, 500 µl/ml – 2 (2,2-2,8)%. На клетках линии MDA-MB-231 были получены следующие результаты оценки выживаемости: в концентрации 0 выживаемость соответствовала 100%, 1 µl/ml – 68 (64,5-71)%, 5 µl/ml – 44 (43,6-45,0)%, 25 µl/ml –10 (9,5-11)%, 50 µl/ml – 9 (6,1-10,1)%, 500 µl/ml – 3 (1,4-3,5)%. На клетках линии PC-3 были получены следующие результаты оценки выживаемости: в концентрации 0 выживаемость соответствовала 100%,1 µl/ml – 70 (65,5-72,4)%, 5 µl/ml – 51 (46,4-51,4)%, 25 µl/ml –18 (14,1-19,4)%, 50 µl/ml – 6 (5,9-7,3)%, 500 µl/ml – 4 (2,6-4,7)%. Расчет IC50, IC25, IC75 препарата относительно всех клеточных моделей был выполнен с помощью программы AAA Bioquest (Sunnyvale, California, USA). В результате проделанных вычислений было установлено, что на модели K562 величина IC50 соответствовала 5 µg/ml, т.е. что цисплатин в концентрациях превышающих 5 µg/ml ингибировал рост клеток линии К-562 более чем 50% в сравнении с интактным контролем. Расчетные значения IC25 и IC75 на модели К-562 были определены как 1,1 µg/ml и 11,04 µg/ml, соответственно. Анализ результатов цитотоксического теста, проведенного на модели клеток MDA-MB-231, показал, что величина IC50 соответствовала 3,2 µg/ml, IC25 -1,2 µg/ml и IC75 - 10 µg/ml. Анализ результатов цитотоксического теста, проведенного на модели клеток PC-3, показал, что величина IC50 соответствовала 4.8 µg/ml, IC25 -1.1 µg/ml и IC75 – 10.6 µg/ml. Полученные расчетные данные позволили определить количество цисплатина для нагрузки одного образца сплава с целью выполнения задачи создания образца на основе сплава магния, нагруженного цисплатином. Было констатировано, что для достижения достоверного цитотоксического эффекта при заданных стандартных условиях постановки эксперимента (объем среды в лунке – 1 мл, 1 образец сплава) эффективное количество цисплатина в одном образце сплава должно быть не менее 5 µg. Объектами исследования гемосовместимости являлись образцы магниевых сплавов с серебром (Mg-2%Ag, Mg-4%Ag, Mg-6%Ag) и гадолинием (Mg-10%Gd) в исходном состоянии и после равноканального углового прессования (РКУП), а также компакты порошкового сплава Mg-6%Ag с карбоплатином (Mg-Pt), которые инкубировали с лейкоцитами крови и эритроцитами млекопитающих. Для стерилизации образцы погружали в 70% этанол на 4-18ч, а затем высушивали в стерильных условиях. Определение гемосовместимости исследуемых образцов in vitro проводили в соответствии с ИСО 10993-1:2003. Образцы оценивали как гемосовместимые, если значение индуцированного гемолиза (ИГ) и угнетение жизнеспособности лейкоцитов не превышало 10%. Проведенные исследования позволили сделать вывод о том, что из исследуемых сплавов только сплав Mg-10%Gd в исходном состоянии и после РКУП может быть отнесен к гемосовместимому, поскольку уровень индуцированного им гемолиза и изменения выживаемости МЛ в сравнении с контролем не превышал 10%. Образцы сплавов Mg-2%Ag и Mg-4%Ag в процессе кратковременной инкубации (4 ч) индуцировали незначительный (менее 10%) гемолиз, однако оказывали выраженный цитотоксический эффект на лейкоциты в процессе более продолжительной инкубации (24 ч), что препятствует отнесению их к категории гемосовместимых. Сплав Mg-6%Ag не может быть отнесен к гемосовместимым по результатам обоих тестов, поскольку он индуцировал гемолиз более чем 10% и гибель более 37% лейкоцитов. Худшей гемосовместимостью из исследованных образцов обладал сплав на основе Mg-Pt – за 4 часа инкубации он индуцировал лизис более половины эритроцитов, а за 24 часа инкубации угнетал выживаемость в среднем 96% лейкоцитов. При инкубации этого сплава с клетками крови наблюдали быстро нарастающее газообразование с пенообразованием, сопровождающееся значительно выраженным нагревом среды инкубации и быстрой деградацией образца (15-25 минут), что указывает на возможность гибели клеток вследствие осмотического шока и гипертермии в течение короткого срока. Для оценки селективности цитотоксической активности образцы на основе магниевых сплавов инкубировали с опухолевыми и нетрансформированными клетками. Объектами исследования являлись образцы магниевых сплавов с серебром (Mg-2%Ag, Mg-4%Ag, Mg-6%Ag) и гадолинием (Mg-10%Gd) в исходном состоянии и после РКУП, а также компакты порошкового сплава Mg-6%Ag с карбоплатином (Mg-Pt), прессованные образцы сплава Mg-6%Ag без цисплатина (Mg power), образцы сплава Mg-6%Ag без цисплатина после кручения под высоким давлением (Mg bulk), которые инкубировали с опухолевыми клетками различного гистогенеза и злокачественно нетрасформированными клетками. Образцы стерилизовали погружением в 70% этанол в течение 4 часов, а затем преинкубировали в полной ростовой среде в течение ночи при 37°С в атмосфере 5% СО2. В качестве клеточных моделей использовали клетки линий К562, LNCap, РС-3, а также мультипотентные мезенхимальные стромальные клетки (ММСК) как модель нетрансформированных клеток. Полученные данные показывают, что присутствие всех протестированных образцов сплавов в культуральной среде оказывало цитотоксическое воздействие на опухолевые клетки. Уже через 2 часа после начала коинкубации с образцами сплавов Mg-Ag и Mg-Gd наблюдали нарушение структуры клеточной мембраны, что позволяет нам сделать вывод о том, что исследуемые магниевые сплавы, особенно в исходном состоянии, оказывают губительное воздействие в отношении опухолевых клеток в течение первых часов коинкубации, реализуемое путем механической деструкции клеток. Через 24 ч после начала коинкубации с образцами мы наблюдали снижение жизнеспособности опухолевых клеток, что однозначно коррелирует с угнетением всех энергозависимых клеточных реакций. В ходе нашей работы было обнаружено увеличение концентрации деполяризированных клеток под воздействием протестированных сплавов. Можно предположить, что выявленный антипролиферативный эффект сплавов Mg-Ag и Mg-Gd был частично опосредован повреждением ДНК опухолевых клеток в процессе коинкубации. При этом сплавы Mg-Ag и Mg-Gd, обработанные РКУП, в сравнении с исходными индуцировали появление через 24 ч после начала коинкубации большего количества клеток с двунитевыми разрывами ДНК и внутриклеточной экспрессией фосфорилированной формы АТМ-киназы (pATM Ser 1981). Подтверждением этому может выступать то, что воздействие сплавов Mg-Ag и Mg-Gd в исходном состоянии повышало экспрессию маркеров апоптоза Annexin V и Caspase 3/7 достоверно активнее, чем эффект РКУП-обработанных сплавов в первые 4 часа инкубации. Изучение влияния образцов на основе прессованного порошка сплава Mg-6%Ag показало, что контакт с Mg-Pt индуцировал снижение лактатдегидрогеназы (ЛДГ) активности до недетектируемого уровня 0±1%, Mg power – до 4±3,8%, Mg bulk – до 6±4,8%. Было установлено, что скорость биодеградации всех трех типов образцов была очень высокой Mg bulk< Mg power< Mg-Pt: менее чем через 6 ч инкубации образцы на основе Mg-Pt и Mg power деградировали полностью, а образцы Mg bulk сохранились, хоть и потеряли значительную часть своей массы. Исходя из вышеприведенных данных можно предположить, что отмеченный цитотоксический эффект обусловлен не столько присутствием в исходном образце ионов платины, сколько структурой магниевой основы, способствующей стремительной биодеградации как образцов на основе Mg-Pt и Mg power, сопровождающейся повышением температуры среды культивации, бурным газообразованием и осмотическим стрессом клеток вследствие резкого защелачивания среды. Для уточнения сделанного вывода образцы на основе прессованного порошка сплава Mg-6%Ag инкубировали с ММСК третьего пассажа. Было установлено, что сразу после контакта образцов Mg-Pt и Mg power с клеточной культурой было зафиксировано бурное газоообразование, повышение температуры, защелачивание и ускоренное испарение и вытеснение среды с клетками из лунки, что было обусловлено высокой скоростью деградации в клеточной среде образцов на основе Mg-Pt: образцы были разрушены менее чем за 30 минут инкубации. Образцы на основе Mg bulk деградировали медленнее: срок их полного разрушения составил примерно 4-6 часов. Выживаемость ММСК после контакта с названными образцами соответствовала 0% после контакта с Mg-Pt и Mg power, 2±1,8% - после контакта с Mg bulk. Таким образом, не наблюдали избирательности цитотоксического воздействия образцов сплава Mg-6%Ag с препаратами платины относительно опухолевых клеток различного гистогенеза и злокачественно нетрансформированных клеток. После инкубации ММСК в 3D системе матригеля нами был зафиксирован антиангиогенный эффект образцов на основе порошка магния за счет цитотоксичности сплавов. Процесс биодеградации образцов, в особенности Mg-Pt, начался непосредственно после контакта с влажной средой, т.е сразу после внесения в лунки с образцами матригеля, препятствуя его полимеризации и формированию однородной прозрачной структуры, необходимой для культивирования клеток. Добавление суспензии клеток, еще более интенсифицировало описанный деструктивный процесс. Анализ морфологии клеток с помощью световой микроскопии показал, что клетки погибли в результате лизиса уже через 30 минут после начала инкубации. Суммируя все данные полученные в результате выполнения НИР на данном этапе можно сделать вывод, что обнаруженный эффект является следствием неспецифического некротического эффекта, являющегося следствием бурно протекающего процесса деградации образцов на основе компактированного порошка сплава Mg-6%Ag. Представляется вероятным, что описанные характеристики процесса деградации разработанных образцов могут послужить препятствием их использованию в качестве погружных имплантатов в злокачественно нетрансформированную ткань пациентов для выполнения каркасных или опорных функций, поскольку высока вероятность развития болевого синдрома, некроза и нарушения целостности кожных или слизистых покровов из-за интенсивного газообразования, а также опасности ожога из-за выделения большого количества тепла, сопровождающего этот процесс. Поэтому дальнейшее исследование целесообразно проводить на массивных образцах сплавов Mg-Ag и Mg-Gd.

 

Публикации

1. Эстрин Ю., Мартыненко Н., Анисимова Н., Темралиева Д., Киселевский М., Серебряный В., Рааб Г., Страумал Б., Визе Б., Виллумейт-Ромер Р., Добаткин С. The effect of equal-channel angular pressing on the microstructure, the mechanical and corrosion properties, and the anti-tumor activity of magnesium alloyed with silver Materials, 12(23), 3832 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.3390/ma12233832

2. Киселевский М.В., Анисимова Н.Ю., Мартыненко Н.С., Ситдикова С.М., Добаткин С.В., Караулов А.В., Эстрин Ю.З. Остеоиммунология и биосовместмость костных имплантатов (обзор) Иммунология (Immunologiya), 2018. – 39(5-6). - 305-311. (год публикации - 2018) https://doi.org/10.18821/0206-4952-2018-39-5-6-305-311


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках проведения НИР в текущем году изучали противоопухолевое действие имплантатов на основе Mg-6%Ag и Mg-10%Gd до и после равноканального углового прессования (РКУП). В качестве объектов исследования использовали образцы сплавов четырех типов: Mg-6%Ag гомогенизированный (Mg-6%Ag Hom.), Mg-6%Ag после обработки РКУП (Mg-6%Ag ECAP), Mg-10%Gd гомогенизированный (Mg-10%Gd Hom.) и Mg-10%Gd после обработки РКУП (Mg-10%Gd ECAP). Образцы на основе сплавов Mg-6%Ag и Mg-10% Gd после ротационной ковки (РК) для экспериментов in vivo не использовали поскольку по результатам предварительных биологических тестов in vitro они не могут быть отнесены к биосовместимым в соответствии с рекомендациями ASTM 756-00 и ISO 10 993-5 1992 (гемолитическая активность превышала 5% , цитотоксичность достигала 36%). Экспериментальные образцы были выполнены в форме цилиндров диаметром 2 мм и длиной 5 мм. Для стерилизации образцы погружали в 70% этанол на 4 часа, а затем высушивали в стерильных условиях. Мышам линии С57Bl (самцы массой 26-28г) подкожно была привита меланома линии B16 в дозе 1 млн. клеток на мышь. Через 2 недели было отобрано 25 животных, у которых диаметр резвившейся опухоли достиг 5±1 мм. Животные были разделены на 5 равных групп. Мышам 4 групп интратуморально имплантировали по одному образцу исследуемого сплава, для чего этот образец размещали во внутреннем канале иглы для биопсии и через разрез кожи рядом с опухолью вводили в центр опухолевого узла. У мышей контрольной группы интротуморально вводили пустую иглу. В течение последующих 10 суток у мышей всех групп анализировали динамику видимого объема опухолевого узла. Через 10 суток производили исследование тканей тела животного и образцов сплавов посредством компьютерной томографии (КТ) на приборе Phillips Brilliance. Для обработки полученных КТ данных использовали программу Extended Brilliance Workspace. В процессе аутопсии регистрировали особенности поверхности опухолевого узла, наличие скоплений газа в подкожном пространстве и в ткани опухоли. Осуществляли патоморфологический анализ области имплантации и внутренних органов животных. Периостеальная имплантация образцов обеспечила возможность изучения влияния испытуемых сплавов на морфологию прилегающих ребер латеральной стенки грудной клетки, а также оценку опасности развития локального воспаления или некроза в области контакта с костной тканью. Было обнаружено, что вследствие газообразования при биодеградации сплава образец может значительно отдалятся от области первичной локализации, что делает его контакт с надкостницей ребер менее плотным. Из-за ускоренного газообразования сплава Mg-6%Ag РКУП в области его имплантации наблюдали нарастание тургора кожи и подкожной клетчатки, что приводило к незначительной ишемии указанных тканей вследствие значительного сдавливания местных кровеносных и лимфатических сосудов. Однако никаких признаков некроза или локального воспаления в области имплантации не отмечали. Согласно результатам, полученным с посредством КТ, не выявлено локальных признаков остеомаляции, декальцификации или воспаления надкостницы. Также не было обнаружено признаков накопления жидкости, свидетельствующих об экссудативном процессе в периимплантационной области. Патоморфологический анализ выявил признаки накопления в тканях тела животного значительного объема газа, являющегося продуктом биодеградации сплава во внутренней среде. Полости, заполненные газом, наблюдали как в объеме самого опухолевого узла, так и в паратуморальной области. Методом КТ было установлено, что только в группе контроля структура опухолевого узла была гомогенной, т.к. не содержала пузырьков газа и, очевидно, практически полностью состояла из опухолевой ткани. Было рассчитано соотношение в опухолевом узле каждого животного объема газа и ткани меланомы. Сравнительный анализ результатов показал, что при отсутствии достоверной разницы объемов опухолевых узлов между различными группами, в группах с имплантированными Mg-10%Gd Hom. и Mg-10%Gd ECAP значимую их часть занимал газ: у мышей группы Mg-6%Ag Hom.- 5±10 мм3, Mg-6%Ag ECAP – 14,2±2,5 мм3, Mg-10%Gd Hom. – 109,2±20,0 мм3, Mg-10%Gd ECAP - 902±47 мм3. Рассчет объема опухолевой ткани позволил доказать факт достоверного торможения роста меланомы под воздействием трех исследуемых сплавов. В частности было установлено, что в контрольной группе объем опухолевой ткани в узле в среднем соответсвовал 5450±150 мм3, тогда как под воздействием Mg-6%Ag ECAP объем меланомы сократился до 4264±83 мм3 (р=0,002), Mg-10%Gd Hom. – до 4991±100 мм3 (р=0,038), а под воздействием Mg-10%Gd ECAP – до 3833±100 мм3(р=0,001). Воздействие образцов сплава Mg-6%Ag Hom. не оказало заметного воздействия на рост опухоли , ее объем составил 5500±100 мм3 (р=0,790 в сравнении с контролем). Произведенные расчеты показали, что относительное уменьшение объема опухолевой массы под влиянием изученных сплавов в сравнении с контролем составило в среднем Mg-6%Ag Hom. – 0%, Mg-6%Ag ECAP – 22%, Mg-10%Gd Hom. – 8%, Mg-10%Gd ECAP – 30%. Активность сплавов, обработанных РКУП, была выше гомогенизированных (р=0.001 для сплавов на основе Mg-6%Ag и Mg-10%Gd). Сплав Mg-10%Gd ECAP обладал максимальной результативностью. Для изучения механизма обнаруженного противоопухолевого воздействия мы исследовали методом проточной цитометрии морфологию клеток опухолевого узла после их окраски антителами к протеину Ki67, ассоциированному с клеточной пролиферацией (Ki67(+) клетки). Произведенный статистический анализ показал, что в контрольной группе относительное количество Ki67(+) клеток составило в среднем 72,2%, т.е. абсолютное большинство клеток пребывало в состоянии митоза, что обеспечивало быстрое нарастание опухолевой массы. Тогда как в опухолевых узлах, куда были имплантированы образцы исследуемых сплавов наблюдали выраженную тенденцию снижения пролиферирующих Ki67(+) клеток: под влиянием Mg-6%Ag Hom. в среднем – до 58%, Mg-6%Ag ECAP – до 41,6%, а под воздействием Mg-10%Gd ECAP – до 29,2%. Таким образом, самое заметное снижение количества Ki-67(+) клеток наблюдали у мышей с имплантированными сплавами после обработки РКУП: в среднем на 52% под воздействием Mg-6%Ag ECAP и на 60% под воздействием Mg-10%Gd ECAP в сравнении с контролем. Полученные данные позволяют предпологать, что указанные сплавы ингибировали процесс деления клеток, препятсвуя их пролиферациии, следовательно, тормозя рост опухоли. Минимальным эффектом обладал сплав Mg-6%Ag Hom., который тормозил пролиферацию клеток на 20% в сравнеии с контролем. Сплав Mg-10%Gd ECAP in vivo оказывал максимальный антипролиферативный эффект на клетки узла меланомы. В целом, по результатм проведенных исследований можно констатировать, что противоопухолевый эффект исследуемых сплавов, исследованный в условиях in vivo, убывал в следующей последовательности (Mg-10%Gd ECAP> Mg-6%Ag ECAP> Mg-10%Gd hom> Mg-6%Ag hom). Для оценки метастазирования оценивали наличие макроузлов метастазов меланомы в паренхиме легких экспериментальных животных при проведении патоморфологического анализа после эвтаназии животных. Согласно полученным результатам ни в одной из групп животным с внутритуморально имплантированными сплавами магния метастазов не было обнаружено. Для оценки системной субхронической токсичности сплавов была изучена морфология легких, печени, селезенки и желудочно-кишечного тракта животных. Было установлено, что в сравнении с интактным контролем у животных с имплантатами не наблюдали макроморфологических признаков, ассоциированных с проявлениями системного токсикоза. Полученные данные свидетельствовали об отсутствии выраженных признаков прямой субхронической токсичности образцов сплавов Mg-10%Gd в гомогенизированном и обработанном РКУП состояниях и Mg-6%Ag в гомогенизированном состоянии. Однако, у животных групп Mg-6%Ag ECAP было установлено снижение долевого объема легких со стороны области имплантации сплава, а также смещение органов средостения. Следовательно, сплав Mg-6%Ag ECAP может косвенно оказывать патогенное воздействие на организм вследствие усиленного газообразования в ходе раннего постоперационного периода. Учитывая приведенные выше данные, был сделан вывод о том, что в сравнении с другими образцами сплав Mg-10%Gd ECAP сочетает наилучшую эффективность и удовлетворительную субхроническую токсичность. Интегральную рентгеновскую плотность образцов оценивали методом КТ в сегментарной плоскости образца по результатам замеров, произведенных не менее чем в 5 точках диаметра. Проведенные исследования показали , что наименьшую плотность демонстрировали сплавы Mg-6%Ag и Mg-10%Gd после обработки РКУП, что коррелирует с выводами об усилении скорости биодеградации после обработки указанных сплавов РКУП.Таким образом, вышеприведенные данные показывают и обосновывают перспективность изучения применения для локальной циторедуктивной терапии онкологических больных биодеградируемых магниевых сплавов в качестве средства доставки к солидным опухолям биоактивных ионов, способных оказать прямой антипролиферативный и цитотоксический противоопухолевый эффект. Представляется вероятным, что внутри- или паратуморальное введение в режиме адъювантной терапии магниевого сплава, индуцирующего ионы гадолиния при биодеградации, может способствовать снижению выраженности системной токсичности химиотерапии. Применение методов механической обработки исходного сплава, такого как РКУП, влияя на скорость деградации сплава, позволяет регулировать кинетику поступления ионов гадолиния в ткани и их концентрацию в области локализации опухоли.

 

Публикации

1. Б. Страумал, Н. Мартыненко, Д. Темралиева, В. Серебряный, Н. Табачкова, И. Щетинин, Н. Анисимова, М. Киселевский, А. Колянова, Г. Рааб, Р. Виллюмайт-Рёмер, С. Добаткин, Ю. Эстрин The Effect of Equal-Channel Angular Pressing on Microstructure, Mechanical Properties, and Biodegradation Behavior of Magnesium Alloyed with Silver and Gadolinium Crystals, 2020, 10(10), 918 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/cryst10100918

2. Мартыненко Н.С., Анисимова Н.Ю., Темралиева Д.Р., Киселевский М.В., Морозов М.М., Юсупов В.С., Добаткин С.В., Эстрин Ю.З. Effect of rotary swaging and subsequent aging on the implant-relevant properties of magnesium alloy WE43 Journal of Physics: Conference Series, 1688 (2020) 012006 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1688/1/012006

3. Н. Мартыненко, Е. Лукьянова, Н. Анисимова, М. Киселевский, В. Серебряный, Н. Юрченко, Г. Рааб, Н. Бирбилис, Г. Салищев, С. Добаткин, Ю. Эстрин Improving the property profile of a bioresorbable Mg-Y-Nd-Zr alloy by deformation treatments Materialia, V. 13, №100841 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.mtla.2020.100841

4. Н. Мартыненко, Н. Анисимова, М. Киселевский, Н. Табачкова, Д. Темралиева. Д. Просвирнин, В. Терентьев, А. Колтыгин, В. Белов, М. Морозов, В. Юсупов, С. Добаткин, Ю. Эстрин Structure, mechanical characteristics, biodegradation, and in vitro cytotoxicity of magnesium alloy ZX11 processed by rotary swaging Journal of Magnesium and Alloys, V. 8, I.4, 2020, P. 1038-1046 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.jma.2020.08.008

5. Н.С. Мартыненко, Н.Ю. Анисимова, М.В. Киселевский, Д.Р. Темралиева, Г.И. Рааб, Е.A. Корнюшенков, М.В. Родионов, С.В. Добаткин, Ю.З. Эстрин In vitro биодеградация резорбируемых магниевых сплавов, перспективных для разработки эндопротезов Современные технологии в медицине (Sovremennye tehnologii v medicine ), 2020, №6, Т.12, 38-44. (год публикации - 2020)


Возможность практического использования результатов
Магниевые биорезрбируемые сплавы являются перспективными материалами для создания крепежных конструкций и имплантатов для ортопедии, а также сосудистых стентов. В клинической практике онкологии местные рецидивы, возникающие при имплантации ортопедического протеза после резекции опухоли у больных с первичными или метастатическими поражениями костей, а также резистентные к стандартной терапии опухолевые узлы являются важной и нерешенной проблемой. Разработанные в ходе выполнения проекта сплавы магния наряду с хорошей биосовместимостью, механическими свойствами, характеризуются различной скоростью биокоррозии. Вышеизложенное свидетельствует о том, что разработанные сплавы магния могут рассматриваться в качестве потенциально перспективных материалов различного медицинского назначения, в зависимости требуемой скорости деградации (имплантаты костей, крепежные элементы, стенты). Среди созданных материалов, сплав магния легированный редкоземельным металлом гадолинием продемонстрировал высокую противоопухолевую активность in vitro и in vivo при имплантации в опухолевый узел мышей. Данный сплав может быть использован при создании имплантатов для замещения дефектов костей после условно-радикальных резекций (radical and conditionally radical resections) по поводу остеосаркомы с целью профилактики рецидива заболевания. Терапевтический эффект будет обеспечиваться за счет постепенного высвобождения ионов гадолиния, обладающих противоопухолевой активностью и формированием щелочной среды в области имплантации при высвобождении ионов водорода, неблагоприятной для пролиферации трансформированных клеток. Одной из значимых для клинической онкологии областей применения сплавов магния с противоопухолевой активностью может быть их интратуморальной введение. Управляемая биодеградация сплавов магния позволит создать в течении длительного времени эффективную концентрации противоопухолевых агентов в опухоли, без выраженных системных побочных эффектов (systemic side effects). Такой подход может быть эффективен при неоперабельных химио- радио- гормоно-резистеных опухолях. В частности, при множественных кожных узлах меланомы и при кастрат-резистентном раке предстательной железы (castrate-resistant prostate cancer). Подтверждением данного подходя являются полученные данные о MgGd противоопухолевой активности MgGd при испытании на моделях данных опухолей. Магниевые имплантаты в виде пористых материалов, могут рассматриваться как платформы для доставки препаратов (drug delivery systems). Насыщенные противоопухолевым препаратом, или компакты порошка сплавов магния с цитостатическими агентами при биодеградации могут высвобождать лекарственные средства с контролируемой скоростью оказывать выраженное местное противоопухолевой действие, минимизирую таким образом дозу вводимого цитостатического препарата и, соответственно, нежелательные эффекты (adverse effects) .