Применение скаффолд-технологий с целью оптимизации заживления кожных ран

Лечение хронических ран и управление раневым процессом представляют собой тяжелое бремя для мирового здравоохранения, составляя около 3% от общих расходов государств на медицину. Текущие терапевтические стратегии, используемые медицинскими учреждениями, с трудом справляются с эффективным регулированием лечения ран, что приводит к длительному пребыванию пациентов в стационаре. Серьезность этой ситуации усугубляется постоянным ростом факторов риска, связанных с развитием хронических ран. Поэтому необходимо исследовать лечебные решения, способные перезапустить процесс заживления, сосредоточившись на конкретных механизмах, участвующих в репарации ран. В статье рассматриваются актуальные аспекты улучшения процессов заживления кожных ран с использованием скаффолдов. Статья предлагает обзор современных подходов по улучшению регенерации кожных тканей с использованием скаффолд-технологий. В настоящее время скаффолд-технологии применяют в различных направлениях регенеративной медицины. Несомненно, что эффективность данных технологий связана с их особенностями по обеспечению механической поддержки для воспроизведения потенциального каркаса раневого дефекта. Для оценки таких возможностей необходимым является изучение реакции тканей реципиента на интеграцию матрикса в условиях in vivo и определение закономерностей образования волокон коллагена. Были проанализированы зарубежные и отечественные источники через поисковые системы PubMed® и elibrary.ru за последние годы. Обзор охватывает широкий спектр проблем, начиная с общих принципов заживления ран и заканчивая детальным описанием различных типов скаффолдов, затрагивая все ключевые аспекты скаффолд-технологий. Детально проанализированы различные типы скаффолдов, их состав, свойства и преимущества при использовании для улучшения механизмов регенерации кожи.

1. Chuong CM, Nickoloff BJ, Elias PM, Goldsmith LA, Macher E, Maderson PA et al. What is the ‘true’ function of skin? Experimental Dermatology. 2022;11(2):159–187. https://doi.org/10.1034/j.1600-0625.2002.00112.x.

2. Сергацкий КИ, Никольский ВИ, Шеремет ДП, Альджабр М, Мизонов ДВ, Шабров АВ. Характеристика скаффолдов и технологии их изготовления для использования в регенеративной хирургии. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. 2022;(3): 124–133. https://doi.org/10.21685/2072-3032-2022-3-11.

3. Никольский ВИ, Сергацкий КИ, Шеремет ДП, Шабров АВ. Скаффолд-технологии в восстановительной медицине: история вопроса, современное состояние и перспективы применения. Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 2022;(11):36–41. https://doi.org/10.17116/hirurgia202211136.

4. Vangilder C, Lachenbruch C, Algrim-Boyle C, Meyer S. The International Pressure Ulcer Prevalence Survey: 2006-2015: A 10-Year Pressure Injury Prevalence and Demographic Trend Analysis by Care Setting. J Wound Ostomy Cont Nurs. 2017;44:20–28. https://doi.org/10.1097/ WON.0000000000000292

5. Vangilder C, Macfarlane GD, Meyer S. Results of nine international pressure ulcer prevalence surveys: 1989 to 2005. Ostomy Wound Manag. 2008;54(2):40–54. Available at: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18382042.

6. Guo B, Ma PX. Conducting Polymers for Tissue Engineering. Biomacromolecules. 2018;19(6):1764–1782. https://doi.org/10.1021/acs.biomac.8b00276.

7. Chaudhari AA, Vig K, Baganizi DR, Sahu R, Dixit S, Dennis V et al. Future Prospects for Scaffolding Methods and Biomaterials in Skin Tissue Engineering: A Review. Int J Mol Sci. 2016;17(12):1974. https://doi.org/10.3390/ijms17121974.

8. Mogoşanu GD, Grumezescu AM. Natural and synthetic polymers for wounds and burns dressing. Int J Pharm. 2014;463(2):127–136. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2013.12.015.

9. Zielińska A, Karczewski J, Eder P, Kolanowski T, Szalata M, Wielgus K et al. Scaffolds for drug delivery and tissue engineering: The role of genetics. J Control Release. 2023;359:207–223. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2023.05.042

10. Мишина ЕС, Затолокина МА, Рязаева ЛМ, Польской ВС, Цымбалюк ВВ, Неволько ВО и др. Морфофункциональная перестройка волокнистых структур дермы кожи крыс в условиях имплантации 3д-скаффолда на основе полипролактона. Вестник Волгоградского государственного медицинского университета. 2021;3(79):119–123. https://doi.org/10.19163/1994-9480-2021-3(79)-119-123.

11. Епифанов СА, Матвеев СА, Крайнюков ПЕ, Кокорин ВВ, Базаев АА, Чекмарева ИА. Аутогенные фибриновые матриксы: перспективы использования в хирургии. Гены и клетки. 2021;16(2):71–74. https://doi.org/10.23868/202107014.

12. Frazier T, Alarcon A, Wu X, Mohiuddin OA, Motherwell JM, Carlsson AH et al. Clinical Translational Potential in Skin Wound Regeneration for Adipose-Derived, Blood-Derived, and Cellulose Materials: Cells, Exosomes, and Hydrogels. Biomolecules. 2020;10(10):1373. https://doi.org/10.3390/biom1010137.

13. Егорихина МН, Левин ГЯ, Алейник ДЯ, Чарыкова ИН. Скаффолд для замещения дефектов кожи на основе естественных биополимеров. Успехи современной биологии. 2018;138(3):273–282. https://doi.org/10.7868/S0042132418030055.

14. Qin J, Chen F, Wu P, Sun G. Recent Advances in Bioengineered Scaffolds for Cutaneous Wound Healing. Front Bioeng Biotechnol. 2022;10:841583. https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.841583.

15. Егорихина МН, Мухина ПА, Бронникова ИИ. Скаффолды как системы доставки биологически активных и лекарственных веществ. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2020;9(1):92–102. https://doi.org/10.17802/2306-1278-2020-9-1-92-102

16. Mitchell AC, Briquez PS, Hubbell JA, Cochran JR. Engineering growth factors for regenerative medicine applications. Acta Biomater. 2016;30:1–12. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2015.11.007.

17. Atienza-roca P, Cui X, Hooper GJ, Woodfield TBF, Lim KS. Growth factor delivery systems for tissue engineering and regenerative medicine. Adv Exp Med Biol. 2018;1078:245–269. https://doi.org/10.1007/978-981-13-0950-2.

18. Venkanna A, Kwon OW, Afzal S, Jang C, Cho KH, Yadav DK et al. Pharmacological use of a novel scaffold, anomeric N, Ndiarylamino tetrahydropyran: molecular similarity search, chemocentric target profiling, and experimental evidence. Sci Rep. 2017;7(1):1–17. https://doi.org/doi:10.1038/s41598-017-12082.

19. Николаева ЕД. Биополимеры для клеточной инженерии. Журнал Сибирского федерального университета. Биология. 2014;7(2):222–233. Режим доступа: https://elib.sfu-kras.ru/handle/2311/13408.

20. Eltom AE, Zhong G, Muhammad A. Scaffold Techniques and Designs in Tissue Engineering Functions and Purposes: A Review. Advances in Materials Science and Engineering. 2019;4:1–13. https://doi.org/10.1155/2019/3429527.

21. Iqbal N, Khan AS, Asif A, Yar M, Haycock JW, Rehman IU. Recent concepts in biodegradable polymers for tissue engineering paradigms: A critical review. Int Mat Rev. 2019;64:91–126. https://doi.org/10.1080/09506608.2018.1460943.

22. Abdulghani S, Mitchell GR. Biomaterials for In Situ Tissue Regeneration: A Review. Biomolecules. 2019;9(11):750. https://doi.org/10.3390/biom9110750.

23. Magnusson JP, Saeed AO, Fernández-Trillo F, Alexander C. Synthetic polymers for biopharmaceutical delivery. Polymer Chemistry. 2011;2(1):48–59. https://doi.org/10.1039/C0PY00210K.

24. Negut I, Dorcioman G, Grumezescu V. Scaffolds for Wound Healing Applications. Polymers. 2020;12(9):2010. https://doi.org/10.3390/polym12092010.

25. Sun G, Shen YI, Harmon JW. Engineering Pro-Regenerative Hydrogels for Scarless Wound Healing. Adv Healthc Mater. 2018;7(14):e1800016. https://doi.org/10.3390/polym1209201010.1002/adhm.201800016.

26. Ahmed S, Ikram S. Chitosan Based Scaffolds and Their Applications in Wound Healing. Achievements Life Sci. 2016;10:27–37. https://doi.org/10.1016/j.als.2016.04.001.

27. Graça MFP, Miguel SP, Cabral CSD, Correia IJ. Hyaluronic acid-Based wound dressings: A review. Carbohydr Polym. 2020;241:116364 https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.116364.

28. Badylak SF, Freytes DO, Gilbert TW. Reprint of: Extracellular matrix as a biological scaffold material: Structure and function. Acta Biomater. 2015;23:17–26. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2015.07.016.

29. Taylor DA, Sampaio LC, Ferdous Z, Gobin AS, Taite LJ. Decellularized matrices in regenerative medicine. Acta Biomater. 2018;74:74–89. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2018.04.044.

30. Agmon G, Christman KL. Controlling stem cell behavior with decellularized extracellular matrix scaffolds. Curr Opin Solid State Mater Sci. 2016;20:193–201. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2016.02.001.

31. Dziki J, Badylak S, Yabroudi M, Sicari B, Ambrosio F, Stearns K et al. An acellular biologic scaffold treatment for volumetric muscle loss: results of a 13-patient cohort study. NPJ Regen Med. 2016;1:16008. https://doi.org/10.1038/npjregenmed.2016.8.

32. Clark RA, Ghosh K, Tonnesen MG. Tissue engineering for cutaneous wounds. J Invest Dermatol. 2007;127(5):1018–1029. https://doi.org/10.1038/sj.jid.5700715.

33. Zhang Q, Johnson JA, Dunne LW, Chen Y, Iyyanki T, Wu Y et al. Decellularized skin/adipose tissue flap matrix for engineering vascularized composite soft tissue flaps. Acta Biomater. 2016;35:166–184. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2016.02.017.

34. Choi JS, Kim JD, Yoon HS, Cho YW. Full-thickness skin wound healing using human placenta-derived extracellular matrix containing bioactive molecules. Tissue Eng Part A. 2013;19(3-4):329–339. https://doi.org/10.1089/ten.TEA.2011.0738.

35. Brouki Milan P, Pazouki A, Joghataei MT, Mozafari M, Amini N, Kargozar S et al. Decellularization and preservation of human skin: A platform for tissue engineering and reconstructive surgery. Methods. 2020;171:62–67. https://doi.org/10.1016/j.ymeth.2019.07.005.

36. Takami Y, Yamaguchi R, Ono S, Hyakusoku H. Clinical application and histological properties of autologous tissue-engineered skin equivalents using an acellular dermal matrix. J Nippon Med Sch. 2014;81(6):356–363. https://doi.org/10.1272/jnms.81.356.

37. Сотниченко AС, Гилевич ИВ, Мелконян КИ, Юцкевич ЯА, Каракулев АВ, Богданов СБ и др. Разработка методики получения дермального внеклеточного матрикса. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2019;21(4):81–87. https://doi.org/10.15825/1995-1191-2019-4-81-87.

38. Zhang X, Chen X, Hong H, Hu R, Liu J, Liu C. Decellularized extracellular matrix scaffolds: Recent trends and emerging strategies in tissue engineering. Bioact Mater. 2021;10:15–31. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.09.014.

39. Митрошин АН, Федорова МГ, Латынова ИВ, Нефедов АА. Современные представления о применении скаффолдов в регенеративной медицине (обзор литературы). Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. 2019;(2):133–143. https://doi.org/10.21685/2072-3032-2019-2-12.

40. Sundaramurthi D, Krishnan UM, Sethuraman S. Electrospun Nanofibers as Scaffolds for Skin Tissue Engineering. Polymer Reviews. 2014;54(2): 348–376. https://doi.org/10.1080/15583724.2014.881374.

41. Liu X, Lin T, Fang J, Yao G, Zhao H, Dodson M, Wang X. In vivo wound healing and antibacterial performances of electrospun nanofibre membranes. J Biomed Mater Res A. 2010;94(2):499–508. https://doi.org/10.1002/jbm.a.32718.

42. Akita S, Tanaka K, Hirano A. Lower extremity reconstruction after necrotising fasciitis and necrotic skin lesions using a porcine-derived skin substitute. JPRAS. 2006;59:759–763. https://doi.org/10.1016/j.bjps.2005.11.021.

43. Shevchenko RV, James SL, James SE. A review of tissue-engineered skin bioconstructs available for skin reconstruction. J R Soc Interface. 2010;7(43):229–258. https://doi.org/10.1098/rsif.2009.0403.

44. Suzuki S, Kawai K, Ashoori F, Morimoto N, Nishimura Y, Ikada Y. Long-term follow-up study of artificial dermis composed of outer silicone layer and inner collagen sponge. Br J Plast Surg. 2000;53(8):659–666. https://doi.org/10.1054/bjps.2000.3426.

45. Chen YH, Dong WR, Xiao YQ, Zhao BL, Hu GD, An LB. Preparation and bioactivity of human hair keratin-collagen sponge, a new type of dermal analogue. Nan Fang Yi Ke Da Xue Xue Bao. 2006;26(2):131–138. Available at: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16503513.

46. Yeo JH, Lee KG, Kim HC, Oh HYL, Kim AJ, Kim SY. The effects of Pva/chitosan/fibroin (PCF)-blended spongy sheets on wound healing in rats. Biol Pharm Bull. 2000;23(10):1220–1223. https://doi.org/10.1248/bpb.23.1220.

47. Омелько НА, Халимов РИ. Композитные матриксы для применения в травматологии и регенеративной медицине. Научное обозрение. Медицинские науки. 2022;(6):89–94. https://doi.org/10.17513/srms.1309.

48. Иванов АА, Попова ОП, Данилова ТИ, Кузнецова АВ. Cтратегии выбора и использования скаффолдов в биоинженерии. Успехи современной биологии. 2019;139(2):196–205. https://doi.org/10.1134/S0042132419020042.

49. Norouzi M, Soleimani M, Shabani I, Atyabi F, Ahvaz HH, Rashidi A. Protein encapsulated in electrospun nanofibrous scaffolds for tissue engineering applications. Polymer International. 2013;62:1250–1256. https://doi.org/10.1002/pi.4416.

50. Bhattarai SR, Bhattarai N, Yi HK, Hwang PH, Cha DI, Kim HY. Novel biodegradable electrospun membrane: Scaffold for tissue engineering. Biomaterials. 2004;25(13):2595–2602. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2003.09.043.

51. Hong Y, Chen X, Jing X, Fan H, Gu Z, Zhang X. Fabrication and drug delivery of ultrathin mesoporous bioactive glass hollow fibers. Adv Funct Mater. 2010;20:1503–1510. https://doi.org/10.1002/adfm.200901627.

52. Dhandayuthapani B, Yoshida Y, Maekawa T, Kumar DS. Polymeric Scaffolds in Tissue Engineering Application: A Review. Int J Polym Sci. 2011;2011:1–19. https://doi.org/10.1155/2011/290602.

53. Theocharis AD, Skandalis SS, Gialeli C, Karamanos NK. Extracellular matrix structure. Adv Drug Deliv Rev. 2016;97:4–27. https://doi.org/10.1016/j.addr.2015.11.001.

54. Старцева ОИ, Синельников МЕ, Бабаева ЮВ, Трущенкова ВВ. Децеллюляризация органов и тканей. Хирургия. Журнал имени Н.И. Пирогова. 2019;(8):59‒62. https://doi.org/10.17116/hirurgia201908159.

55. Chan BP, Leong KW. Scaffolding in tissue engineering: general approaches and tissue-specific considerations. Eur Spine J. 2008;17:467–479. https://doi.org/10.1007/s00586-008-0745-3.

56. Williams DF. On the mechanisms of biocompatibility. Biomaterials. 2008;29(20):2941–2953. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2008.04.023.

57. Bobbert FSL, Zadpoor AA. Effects of bone substitute architecture and surface properties on cell response, angiogenesis, and structure of new bone. J Mater Chem B. 2017;5(31):6175–6192. https://doi.org/10.1039/c7tb00741h.

58. Xiao H, Chen X, Liu X, Wen G, Yu Y. Recent advances in decellularized biomaterials for wound healing. Mater Today Bio. 2023;19:100589. https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100589.

59. Bacakova L, Pajorova J, Zikmundova M, Filova E, Mikes P, Jencova V, Sinica A. Nanofibrous Scaffolds for Skin Tissue Engineering and Wound Healing Based on Nature-Derived Polymers. Current and Future Aspects of Nanomedicine. IntechOpen. 2020. https://doi.org/10.5772/intechopen.88602.

60. Belviso I, Romano V, Sacco AM, Ricci G, Massai D, Cammarota M et al. Decellularized Human Dermal Matrix as a Biological Scaffold for Cardiac Repair and Regeneration. Front Bioeng Biotechnol. 2020;8:229. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00229.

61. Bramfeldt H, Sabra G, Centis V, Vermette P. Scaffold vascularization: a challenge for three-dimensional tissue engineering. Curr Med Chem. 2010;17(33):3944–3967. https://doi.org/10.2174/092986710793205327.

62. Никольский ВИ, Захаров АД, Шабров АВ, Венедиктов АА, Глумскова ЮА. Изучение динамики оксидативного стресса в условиях раневого процесса при имплантации внеклеточного коллагенового матрикса. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. 2023;(4):65–75. https://doi.org/10.21685/2072-3032-2023-4-7.

63. Захаров АД, Никольский ВИ, Сергацкий КИ, Митрошин АН, Миронов ММ. Внеклеточный коллагеновый матрикс в лечении хронических ран у пациентов с синдромом диабетической стопы. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. 2024;(1): 68–75. https://doi.org/10.21685/2072-3032-2024-1-8.