Использование мезенхимальных стволовых клеток и экзосом в лечении костных дефектов

Автор: Гребень А.И., Еремин П.С., Костромина Е.Ю., Марков П.А., Гильмутдинова И.Р.

Журнал: Гений ортопедии @geniy-ortopedii

Статья в выпуске: 1 т.30, 2024 года.

Бесплатный доступ

Введение. Восстановление костных дефектов является критическим этапом лечения и реабилитации пациента, однако по-прежнему остается сложной задачей для травматологов-ортопедов. Потребность в тканеинженерных методиках обусловлена ограниченными способностями человеческого организма к корректной ауторегенерации костной ткани, особенно у коморбидных и пожилых пациентов с остеопорозом. В большинстве случаев терапией выбора остается использование костных аутотрансплантатов, что сопряжено с определенными ограничениями. Развитие регенеративной медицины и изучение биологии стволовых клеток открыли возможности применения новых методик для стимуляции заживления костной ткани. Особый интерес исследователей сосредоточен на использовании мезенхимальных стволовых клеток и их внеклеточных везикул в качестве стратегий оптимизации регенерации костной ткани.Цель работы - на основании литературных данных представить эффективность мезенхимальных столовых клеток и экзосом в лечении костных дефектов.Материалы и методы. При подготовке обзора использованы электронная база данных научной литературы Pubmed и электронная библиотека e-Library. Поиск литературных данных произведен по ключевым словам: регенеративная медицина, костные дефекты, экзосомы, мезенхимальные столовые клетки, regenerative medicine, bone defects, exosomes, mesenchymal stem cells.Результаты и обсуждение. Представлены современные данные о влиянии мезенхимальных стволовых клеток, их микроокружения и экзосом на процесс восстановления костной ткани. Клиническая потребность в эффективной регенерации костей по-прежнему остается на высоком уровне. Использование мезенхимальных стволовых клеток и бесклеточных регенеративных подходов продемонстрировало хорошие результаты в восстановлении дефектов костной ткани и является перспективным направлением. Для продуктивного применения мезенхимальных стволовых клеток и экзосом в лечении костных дефектов необходимо дальнейшее изучение механизмов действия, оценка эффективности и безопасности данных регенеративных методик в доклинических и клинических исследованиях.Заключение. Использование мезенхимальных стволовых клеток и бесклеточных регенеративных подходов продемонстрировало хорошие результаты в восстановлении дефектов костной ткани и является перспективным направлением.

Еще

Регенеративная медицина, костные дефекты, цитотерапия, экзосомы, мезенхимальные столовые клетки, биоинженерия, тканевая инженерия

Короткий адрес: https://sciup.org/142240801

IDR: 142240801 | DOI: 10.18019/1028-4427-2024-30-1-124-133

Список литературы Использование мезенхимальных стволовых клеток и экзосом в лечении костных дефектов

Wu D, Chang X, Tian J, et al. Bone mesenchymal stem cells stimulation by magnetic nanoparticles and a static magnetic field: release of exosomal miR-1260a improves osteogenesis and angiogenesis. JNanobiotechnology. 2021;19(1):209. doi: 10.1186/s12951-021-00958-6
Zha Y, Li Y, Lin T, et al. Progenitor cell-derived exosomes endowed with VEGF plasmids enhance osteogenic induction and vascular remodeling in large segmental bone defects. Theranostics. 2021;11(1):397-409. doi: 10.7150/thno.50741
Herberg S, McDermott AM, Dang PN, et al. Combinatorial morphogenetic and mechanical cues to mimic bone development for defect repair. Sci Adv. 2019;5(8):eaax2476. doi: 10.1126/sciadv.aax2476
Shang F, Yu Y, Liu S, et al. Advancing application of mesenchymal stem cell-based bone tissue regeneration. Bioact Mater. 2020;6(3):666-683. doi: 10.1016/j.bioactmat.2020.08.014
Lopes D, Martins-Cruz C, Oliveira MB, Mano JF. Bone physiology as inspiration for tissue regenerative therapies. Biomaterials. 2018;185:240-275. doi: 10.1016/j.biomaterials.2018.09.028
Sui BD, Hu CH, Liu AO, et al. Stem cell-based bone regeneration in diseased microenvironments: Challenges and solutions. Biomaterials. 2019;196:18-30. doi: 10.1016/j.biomaterials.2017.10.046
Liang B, Liang JM, Ding JN, et al. Dimethyloxaloylglycine-stimulated human bone marrow mesenchymal stem cell-derived exosomes enhance bone regeneration through angiogenesis by targeting the AKT/mTOR pathway. Stem Cell Res Ther. 2019;10(1):335. doi: 10.1186/s13287-019-1410-y
Ho-Shui-Ling A, Bolander J, Rustom LE, et al. Bone regeneration strategies: Engineered scaffolds, bioactive molecules and stem cells current stage and future perspectives. Biomaterials. 2018;180:143-162. doi: 10.1016/j. biomaterials.2018.07.017
Naudot M, Garcia Garcia A, Jankovsky N, et al. The combination of a poly-caprolactone/nano-hydroxyapatite honeycomb scaffold and mesenchymal stem cells promotes bone regeneration in rat calvarial defects. J Tissue Eng Regen Med. 2020;14(11):1570-1580. doi: 10.1002/term.3114
Thormann U, Ray S, Sommer U, et al. Bone formation induced by strontium modified calcium phosphate cement in critical-size metaphyseal fracture defects in ovariectomized rats. Biomaterials. 2013;34(34):8589-8598. doi: 10.1016/j. biomaterials.2013.07.036
Deev R. Cellular technologies in traumatology and orthopedics of osteogenesis. Traumatology and Orthopaedics of Russia. 2007;46(4):18-30. (in Russ.)
Kim BC, Bae H, Kwon IK, et al. Osteoblastic/cementoblastic and neural differentiation of dental stem cells and their applications to tissue engineering and regenerative medicine. Tissue Eng Part B Rev. 2012;18(3):235-244. doi: 10.1089/ ten.TEB.2011.0642
Watson EC, Adams RH. Biology of bone: the vasculature of the skeletal system. Cold Spring Harb Perspect Med. 2018;8(7):a031559. doi: 10.1101/cshperspect.a031559
Lu GD, Cheng P, Liu T, Wang Z. BMSC-Derived Exosomal miR-29a Promotes Angiogenesis and Osteogenesis. Front Cell DevBiol. 2020;8:608521. doi: 10.3389/fcell.2020.608521
Olfert IM, Baum O, Hellsten Y, Egginton S. Advances and challenges in skeletal muscle angiogenesis. Am J Physiol Heart CircPhysiol. 2016;310(3):H326-H336. doi: 10.1152/ajpheart.00635.2015
Fierro Fa, Nolta JA, Adamopoulos IE. Concise review: stem cells in osteoimmunology. Stem Cells. 2017;35(6):1461-1467. doi: 10.1002/stem.2625
Naik S, Larsen SB, Cowley CJ, Fuchs E. Two to tango: dialog between immunity and stem cells in health and disease. Cell. 2018;175(4):908-920. doi: 10.1016/j.cell.2018.08.071
Renth AN, Detamore MS. Leveraging "raw materials" as building blocks and bioactive signals in regenerative medicine. Tissue Eng Part B Rev. 2012;18(5):341-362. doi: 10.1089/ten.TEB.2012.0080
Chen P, Tao J, Zhu S, et al. Radially oriented collagen scaffold with SDF-1 promotes osteochondral repair by facilitating cell homing. Biomaterials. 2015;39:114-123. doi: 10.1016/j.biomaterials.2014.10.049
Gao C, Peng S, Feng P, Shuai C. Bone biomaterials and interactions with stem cells. Bone Res. 2017;5:17059. doi: 10.1038/ boneres.2017.59
Liu Y, Yang R, Shi S. Systemic infusion of mesenchymal stem cells improves cell-based bone regeneration via upregulation of regulatory T cells. Tissue Eng Part a. 2015;21(3-4):498-509. doi: 10.1089/ten.tea.2013.0673
Zheng CX, Sui BD, Hu CH, et al. Reconstruction of structure and function in tissue engineering of solid organs: Toward simulation of natural development based on decellularization. J Tissue Eng Regen Med. 2018;12(6):1432-1447. doi: 10.1002/term.2676
Зинченко Е.В. Изменение минерального состава костей скелета при нанесении дефекта большеберцовых костей и внутривенном введении мезенхимальных стволовых клеток на 10-е сутки формирования костного регенерата. Актуальные вопросы анатомии: Материалы международной научно-практической конференции. Витебск: ВГМУ. 2020. С. 127-129.
Sui BD, Chen J, Zhang XY, et al. Gender-independent efficacy of mesenchymal stem cell therapy in sex hormone-deficient bone loss via immunosuppression and resident stem cell recovery. Exp Mol Med. 2018;50(12):1-14. doi: 10.1038/s12276-018-0192-0
Ahrens CC, Dong Z, Li W. Engineering cell aggregates through incorporated polymeric microparticles. Acta Biomater. 2017;62:64-81. doi: 10.1016/j.actbio.2017.08.003
Yan J, Zhang C, Zhao Y, et al. Non-viral oligonucleotide antimiR-138 delivery to mesenchymal stem cell sheets and the effect on osteogenesis. Biomaterials. 2014;35(27):7734-7749. doi: 10.1016/j.biomaterials.2014.05.089
Jiang Z, Wang H, Yu K, et al. Light-Controlled BMSC Sheet-Implant Complexes with Improved Osteogenesis via an LRP5/ß-Catenin/Runx2 Regulatory Loop. ACS Appl Mater Interfaces. 2017;9(40):34674-34686. doi: 10.1021/ acsami.7b10184
Вишневский А.А., Луцай В.И., Уша Б.В. Стимуляция репаративного остеогенеза мультипотентными стволовыми клетками при замещении костных дефектов реберного каркаса в эксперименте. Аграрная наука. 2012;10:23-24.
Sui BD, Hu CH, Zheng CX, et al. Recipient Glycemic Micro-environments Govern Therapeutic Effects of Mesenchymal Stem Cell Infusion on Osteopenia. Theranostics. 2017;7(5):1225-1244. doi: 10.7150/thno.18181
Wei P, Dove KK, Bensard C, et al. The force is strong with this one: Metabolism (over)powers stem cell fate. Trends Cell Biol. 2018;28(7):551-559. doi: 10.1016/j.tcb.2018.02.007
Liao L, Su X, Yang X, et al. TNF-a Inhibits FoxO1 by Upregulating miR-705 to Aggravate Oxidative Damage in Bone Marrow-Derived Mesenchymal Stem Cells during Osteoporosis. Stem Cells. 2016;34(4):1054-1067. doi: 10.1002/ stem.2274
Almeida M, Laurent MR, Dubois V, et al. Estrogens and Androgens in Skeletal Physiology and Pathophysiology. Physiol Rev. 2017;97(1):135-187. doi: 10.1152/physrev.00033.2015
Li J, Zhang N, Huang X, et al. Dexamethasone shifts bone marrow stromal cells from osteoblasts to adipocytes by C/ EBPalpha promoter methylation. Cell Death Dis. 2013;4(10):e832. doi: 10.1038/cddis.2013.348
Napoli N, Chandran M, Pierroz DD, et al. Mechanisms of diabetes mellitus-induced bone fragility. Nat Rev Endocrinol. 2017;13(4):208-219. doi: 10.1038/nrendo.2016.153
Riddle RC, Clemens TL. Bone cell bioenergetics and skeletal energy homeostasis. Physiol Rev. 2017;97(2):667-698. doi: 10.1152/physrev.00022.2016
Ono T, Takayanagi H. Osteoimmunology in bone fracture healing. Curr Osteoporos Rep. 2017;15(4):367-375. doi: 10.1007/s11914-017-0381-0
Liu Y, Kou X, Chen C, et al. Chronic high dose alcohol induces osteopenia via activation of mTOR signaling in bone marrow mesenchymal stem cells. Stem Cells. 2016;34(8):2157-2168. doi: 10.1002/stem.2392
Liu S, Liu D, Chen C, et al. MSC transplantation improves osteopenia via epigenetic regulation of notch signaling in lupus. CellMetab. 2015;22(4):606-618. doi: 10.1016/j.cmet.2015.08.018
Li C, Li B, Dong Z, et al. Lipopolysaccharide differentially affects the osteogenic differentiation of periodontal ligament stem cells and bone marrow mesenchymal stem cells through Toll-like receptor 4 mediated nuclear factor kB pathway. Stem Cell Res. Ther. 2014;5(3):67. doi: 10.1186/scrt456
Xue P, Li B, An Y, et al. Decreased MORF leads to prolonged endoplasmic reticulum stress in periodontitis-associated chronic inflammation. Cell Death Differ. 2016;23(11):1862-1872. doi: 10.1038/cdd.2016.74
Geissler S, Textor M, Schmidt-Bleek K, et al. In serum veritas-in serum sanitas? Cell non-autonomous aging compromises differentiation and survival of mesenchymal stromal cells via the oxidative stress pathway. Cell Death Dis. 2013;4(12):e970. doi: 10.1038/cddis.2013.501
Ming L, Jin F, Huang P, et al. Licochalcone A up-regulates of FasL in mesenchymal stem cells to strengthen bone formation and increase bone mass. Sci Rep. 2014;4:7209. doi: 10.1038/srep07209
Zhang X, Li Y, Chen YE, et al. Cell-free 3D scaffold with two-stage delivery of miRNA-26a to regenerate critical-sized bone defects. Nat Commun. 2016;7:10376. doi: 10.1038/ncomms10376
Zhang D, Ni N, Wang Y, et al. CircRNA-vgII3 promotes osteogenic differentiation of adipose-derived mesenchymal stem cells via modulating miRNA-dependent integrin a5 expression. Cell Death Differ. 2021;28(1):283-302. doi: 10.1038/ s41418-020-0600-6
Tabatabaei Qomi R, Sheykhhasan M. Adipose-derived stromal cell in regenerative medicine: a review. World J Stem Cells. 2017;9(8):107-117. doi: 10.4252/wjsc.v9.i8.107
Betz VM, Kochanek S, Rammelt S, et al. Recent advances in gene-enhanced bone tissue engineering. J Gene Med. 2018;20(6):e3018. doi: 10.1002/jgm.3018
Kristensen LS, Okholm TLH, Ven0 MT, Kjems J. Circular RNAs are abundantly expressed and upregulated during human epidermal stem cell differentiation. RNA Biol. 2018;15(2):280-291. doi: 10.1080/15476286.2017.1409931
Ashwal-Fluss R, Meyer M, Pamudurti NR, et al. circRNA biogenesis competes with pre-mRNA splicing. Mol Cell. 2014;56(1):55-66. doi: 10.1016/j.molcel.2014.08.019
Liu Y, Ma Y, Zhang J, et al. MBG-modified ß-TCP scaffold promotes mesenchymal stem cells adhesion and osteogenic differentiation via a FAK/MAPK signaling pathway. ACS Appl Mater Interfaces. 2017;9(36):30283- 30296. doi: 10.1021/ acsami.7b02466
Бордаков В.Н., Деркачев В.С., Руденок В.В. и др. Тканевая инженерия в лечении дефектов длинных трубчатых костей. Хирургия. Восточная Европа. 2018;7(1):67-73.
Ostrovidov S, Salehi S, Costantini M, et al. 3D Bioprinting in Skeletal Muscle Tissue Engineering. Small. 2019;15(24):e1805530. doi: 10.1002/smll.201805530
Wang Q, Cheng H., Peng H, et al. Non-genetic engineering of cells for drug delivery and cell-based therapy. Adv Drug DelivRev. 2015;91:125-140. doi: 10.1016/j.addr.2014.12.003
Liao W, Ning Y, Xu HJ, et al. BMSC-derived exosomes carrying microRNA-122-5p promote proliferation of osteoblasts in osteonecrosis of the femoral head. Clin Sci (Lond). 2019;133(18):1955-1975. doi: 10.1042/CS20181064
Liu L, Liu Y, Feng C, et al. Lithium-containing biomaterials stimulate bone marrow stromal cell-derived exosomal miR-130a secretion to promote angiogenesis. Biomaterials. 2019;192:523-536. doi: 10.1016/j.biomaterials.2018.11.007
Майбородин И.В., Шевела А.А., Марчуков С.В. и др. Регенерация костного дефекта в условиях экспериментального применения экстрацеллюлярных микровезикул мультипотентных стромальных клеток. Новости хирургии. 2020;28(4):359-369. doi: 10.18484/2305-0047.2020.4.359
Шевела А.А., Шевела А.И., Матвеева В.А. и др. Экзосомы мультипотентных стромальных клеток и экспериментальная остеоинтеграция дентальных имплантов. Материалы II Международной научно-практической конференции. 2020;2:41-55.
Minutti CM, Knipper JA, Allen JE, Zaiss DM. Tissue-specific contribution of macrophages to wound healing. Semin Cell DevBiol. 2017;61:3-11. doi: 10.1016/j.semcdb.2016.08.006
Murray PJ. Macrophage Polarization. Annu Rev Physiol. 2017;79:541-566. doi: 10.1146/annurev-physiol-022516-034339
Kang M, Huang CC, Lu Y, et al. Bone regeneration is mediated by macrophage extracellular vesicles. Bone. 2020;141:115627. doi: 10.1016/j.bone.2020.115627
Loi F, Cordova LA, Zhang R, et al. The effects of immunomodulation by macrophage subsets on osteogenesis in vitro. Stem Cell Res Ther. 2016;7:15. doi: 10.1186/s13287-016-0276-5
Miron RJ, Bosshardt DD. OsteoMacs: Key players around bone biomaterials. Biomaterials. 2016;82:1-19. doi: 10.1016/j. biomaterials.2015.12.017
Tkach M, Théry C. Communication by Extracellular Vesicles: Where We Are and Where We Need to Go. Cell. 2016;164(6):1226-1232. doi: 10.1016/j.cell.2016.01.043
Kalluri R, LeBleu VS. The biology, function, and biomedical applications of exosomes. Science. 2020;367(6478):eaau6977. doi: 10.1126/science.aau6977
Barile L, Vassalli G. Exosomes: Therapy delivery tools and biomarkers of diseases. Pharmacol Ther. 2017;174:63-78. doi: 10.1016/j.pharmthera.2017.02.020
Nathan K, Lu LY, Lin T, et al. Precise immunomodulation of the M1 to M2 macrophage transition enhances mesenchymal stem cell osteogenesis and differs by sex. Bone Joint Res. 2019;8(10):481-488. doi: 10.1302/2046-3758.810.BJR-2018-0231.R2
Gong L, Zhao Y, Zhang Y, Ruan Z. The Macrophage Polarization Regulates MSC Osteoblast Differentiation in vitro. Ann Clin Lab Sci. 2016;46(1):65-71.
Cappariello A, Loftus A, Muraca M, et al. Osteoblast-Derived Extracellular Vesicles Are Biological Tools for the Delivery of Active Molecules to Bone. J Bone Miner Res. 2018;33(3):517-533. doi: 10.1002/jbmr.3332
Huang CC, Kang M, Lu Y, et al. Functionally engineered extracellular vesicles improve bone regeneration. Acta Biomater. 2020;109:182-194. doi: 10.1016/j.actbio.2020.04.017
Curtale G, Rubino M, Locati M. MicroRNAs as Molecular Switches in Macrophage Activation. Front Immunol. 2019;10:799. doi: 10.3389/fimmu.2019.00799
Wang X, Ao J, Lu H, et al. Osteoimmune Modulation and Guided Osteogenesis Promoted by Barrier Membranes Incorporated with S-Nitrosoglutathione (GSNO) and Mesenchymal Stem Cell-Derived Exosomes. Int J Nanomedicine. 2020;15:3483-3496. doi: 10.2147/IJN.S248741
Shahrezaee M, Salehi M, Keshtkari S, et al. In vitro and in vivo investigation of PLA/PCL scaffold coated with metformin-loaded gelatin nanocarriers in regeneration of critical-sized bone defects. Nanomedicine. 2018;14(7):2061-2073. doi: 10.1016/j.nano.2018.06.007
Corpas FJ, Alche JD, Barroso JB. Current overview of S-nitrosoglutathione (GSNO) in higher plants. Front Plant Sci. 2013;4:126. doi: 10.3389/fpls.2013.00126
Stegen S, Carmeliet G. The skeletal vascular system - Breathing life into bone tissue. Bone. 2018;115:50-58. doi: 10.1016/j.bone.2017.08.022
Huang Z, He Y, Chang X, et al. A magnetic iron oxide/polydopamine coating can improve osteogenesis of 3D-printed porous titanium scaffolds with a static magnetic field by upregulating the TGFß-Smads pathway. Adv Healthc Mater. 2020;9(14):e2000318. doi: 10.1002/adhm.202000318
Takeuchi R, Katagiri W, Endo S, Kobayashi T. Exosomes from conditioned media of bone marrow-derived mesenchymal stem cells promote bone regeneration by enhancing angiogenesis. PLoS One. 2019;14(11):e0225472. doi: 10.1371/ journal.pone.0225472
He Y, Yu L, Liu J, et al. Enhanced osteogenic differentiation of human bone-derived mesenchymal stem cells in 3-dimensional printed porous titanium scaffolds by static magnetic field through up-regulating Smad4. FASEB J. 2019;33(5):6069-6081. doi: 10.1096/fj.201802195R
Kim EC, Leesungbok R, Lee SW, et al. Effects of static magnetic fields on bone regeneration of implants in the rabbit: micro-CT, histologic, microarray, and real-time PCR analyses. Clin Oral Implants Res. 2017;28(4):396-405. doi: 10.1111/ clr.12812
Lee JR, Park BW, Kim J, et al. Nanovesicles derived from iron oxide nanoparticles-incorporated mesenchymal stem cells for cardiac repair. Sci Adv. 2020;6(18):eaaz0952. doi: 10.1126/sciadv.aaz0952
Zhu Y, Li Z, Zhang Y, et al. The essential role of osteoclast-derived exosomes in magnetic nanoparticle-infiltrated hydroxyapatite scaffold modulated osteoblast proliferation in an osteoporosis model. Nanoscale. 2020;12(16):8720-8726. doi: 10.1039/d0nr00867b
Kim HY, Kim TJ, Kang L, et al. Mesenchymal stem cell-derived magnetic extracellular nanovesicles for targeting and treatment of ischemic stroke. Biomaterials. 2020;243:119942. doi: 0.1016/j.biomaterials.2020.119942
Wu D, Kang L, Tian J, et al. Exosomes derived from bone mesenchymal stem cells with the stimulation of Fe3O4 nanoparticles and static magnetic field enhance wound healing through upregulated miR-21-5p. Int J Nanomedicine. 2020;15:7979-7993. doi: 10.2147/IJN.S275650
Okada M, Yamawaki H. A current perspective of canstatin, a fragment of type IV collagen alpha 2 chain. J Pharmacol Sci. 2019;139(2):59-64. doi: 10.1016/j.jphs.2018.12.001

Еще

Статья обзорная