Электрохимический сенсор для оценки накопления внеклеточного матрикса в культивируемых хондросферах

Повреждения суставного хряща представляют актуальную медицинскую проблему в связи с высокой частотой проявлений этого заболевания опорно-двигательного аппарата. Сниженная естественная способность хрящевой ткани к регенерации может быть компенсирована за счет регенеративной терапии. Золотым стандартом в данной области стала внутрисуставная матрикс-ассоциированная трансплантация аутологичных хондроцитов, которая подразумевает их введение либо в составе тканеинженерных конструкций в комплексе с матриксом-носителем (скаффолдом), либо в виде тканевых сфероидов (хондросфер). Последний подход представляется наиболее физиологичным, так как в составе сфероидов клетки имеют возможность продуцировать и накапливать собственный внеклеточный матрикс. При масштабном производстве такого типа биомедицинских клеточных продуктов встает вопрос о доступных и эффективных методах контроля качества получаемых хондросфер, позволяющих оценивать их химический состав и биологические свойства. В работе предложен прототип сенсора для сравнительного электрохимического профилирования хондросфер, обеспечивающий количественную оценку накопления компонентов внеклеточного матрикса гиалинового хряща в их составе.

1. Gille J., Behrens P., Schulz A.P., Oheim R., Kienast B. Matrix-associated autologous chondrocyte implantation: A clinical follow-up at 15 years // Cartilage. 2016. V. 7, No 4. P. 309–315. https://doi.org/10.1177/1947603516638901.

2. Carey J.L., Remmers A.E., Flanigan D.C. Use of MACI (autologous cultured chondrocytes on porcine collagen membrane) in the United States: Preliminary experience // Orthop. J. Sports Med. 2020. V. 8, No 8. Art. 2325967120941816. https://doi.org/10.1177/2325967120941816.

3. Vonk L.A., Roël G., Hernigou J., Kaps C., Hernigou P. Role of matrix-associated autologous chondrocyte implantation with spheroids in the treatment of large chondral defects in the knee: A systematic review // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22, No 13. Art. 7149. https://doi.org/10.3390/ijms22137149.

4. Omelyanenko N.P., Karalkin P.A., Bulanova E.A., Koudan E.V., Parfenov V.A., Rodionov S.A., Knyazeva A.D., Kasyanov V.A., Babichenko I.I., Chkadua T.Z., Khesuani Y.D., Gryadunova A.A., Mironov V.A. Extracellular matrix determines biomechanical properties of chondrospheres during their maturation in vitro // Cartilage. 2020. V. 11, No 4. P. 521–531. https://doi.org/10.1177/1947603518798890.

5. Vakhrushev I.V., Basok Y.B., Baskaev K.K., Novikova V.D., Leonov G.E., Grigoriev A.M., Belova A.D., Kirsanova L.A., Lupatov A.Y., Burunova V.V., Kovalev A.V., Makarevich P.I., Sevastianov V.I., Yarygin K.N. Cartilage-specific gene expression and extracellular matrix deposition in the course of mesenchymal stromal cell chondrogenic differentiation in 3D spheroid culture // Int. J. Mol. Sci. 2024. V. 25, No 11. Art. 5695. https://doi.org/10.3390/ijms25115695.

6. Hoburg A., Löer I., Körsmeier K., Siebold R., Niemeyer P., Fickert S., Ruhnau K. Matrix-associated autologous chondrocyte implantation is an effective treatment at midterm follow-up in adolescents and young adults // Orthop. J. Sports Med. 2019. V. 7, No 4. Art. 2325967119841077. https://doi.org/10.1177/2325967119841077.

7. Eschen C., Kaps C., Widuchowski W., Fickert S., Zinser W., Niemeyer Ph., Roël G. Clinical outcome is significantly better with spheroid-based autologous chondrocyte implantation manufactured with more stringent cell culture criteria // Osteoarthritis Cartilage Open. 2020. V. 2, No 1. Art. 100033. https://doi.org/10.1016/j.ocarto.2020.100033.

8. Lovley D.R. Electromicrobiology // Annu. Rev. Microbiol. 2012. V. 66. P. 391–409. https://doi.org/10.1146/annurev-micro-092611-150104.

9. Brabec V., Mornstein V. Electrochemical behaviour of proteins at graphite electrodes. I. Electrooxidation of proteins as a new probe of protein structure and reactions // Biochim. Biophys. Acta, Protein Struct. 1980. V. 625, No 1. P. 43–50. https://doi.org/10.1016/0005-2795(80)90106-3.

10. Malfoy B., Reynaud J.A. Electrochemical investigations of amino acids at solid electrodes: Part II. Amino acids containing no sulfur atoms: Tryptophan, tyrosine, histidine and derivatives // J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. 1980. V. 114, No 2. P. 213–223. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(80)80448-7.

11. Шумянцева В.В., Шебанова А.С., Чаленко Я.М., Воейкова Т.А., Кирпичников М.П., Шайтан К.В., Дебабов В.Г. Электроанализ бактериальных клеток Shewanella oneidensis MR-1 // Доклады Академии наук. 2015. Т. 464, № 5. С. 629–632. https://doi.org/10.7868/S0869565215290277.

12. Chalenko Y., Shumyantseva V., Ermolaeva S., Archakov A. Electrochemistry of Escherichia coli JM109: Direct electron transfer and antibiotic resistance // Biosens. Bioelectron. 2012. V. 32, No 1. P. 219–223. https://doi.org/10.1016/j.bios.2011.12.015.

13. Agafonova L.E., Zhdanov D.D., Gladilina Y.A., Shishparenok A.N., Shumyantseva V.V. Electrochemical approach for the analysis of DNA degradation in native DNA and apoptotic cells // Heliyon. 2024. V. 10, No 3. Art. e25602. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e25602.

14. Жданов Д.Д., Ивин Ю.Ю., Шишпарёнок А.Н., Краевский С.В., Канашенко С.Л., Агафонова Л.Е., Шумянцева В.В., Гнеденко О.В., Пиняева А.Н., Ковпак А.А., Ишмухаметов А.А., Арчаков А.И. Перспективы создания вакцинных препаратов нового типа на основе псевдовирусных частиц (на примере вакцины против полиомиелита) // Биомедицинская химия. 2023. Т. 69, Вып. 5. С. 253–280. https://doi.org/10.18097/PBMC20236905253.

15. Silina Y.E., Fink-Straube C., Koch M., Zolotukhina E.V. A rapid in vitro electrochemical screening of extracellular matrix of Saccharomyces cerevisiae by palladium nanoparticles-modified electrodes // Bioelectrochemistry. 2023. V. 149. Art. 108283. https://doi.org/10.1016/j.bioelechem.2022.108283.

16. Агафонова Л.Е., Вахрушев И.В., Новикова В.Д., Ярыгин К.Н., Шумянцева В.В. Перспективы электрохимических методов для сравнительного анализа двумерных культур хондроцитов и клеточных сфероидов // Тезисы докл. Междунар. конгр. «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Москва, 25 сент. 2023 г. М.: ООО “Экспо-Биохим-Технологии”, 2023. Вып. 21. С. 56–58. https://doi.org/10.37747/2312-640X-2023-21-56-58.

17. Басок Ю.Б., Григорьев А.М., Кирсанова Л.А., Вахрушев И.В., Цветкова А.В., Грядунова А.А., Ярыгин К.Н., Севастьянов В.И. Сравнительное исследование процесса хондрогенной дифференцировки мезенхимальных стромальных клеток, выделенных из разных источников // Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2019. Т. 21, Вып. 1. C. 101–112. https://doi.org/10.15825/1995-1191-2019-1-101-112.

18. Цветкова А.В., Вахрушев И.В., Басок Ю.Б., Григорьев А.М., Кирсанова Л.А., Лупатов А.Ю., Севастьянов В.И., Ярыгин К.Н. Хондрогенный потенциал МСК различного происхождения в условиях сфероидного культивирования // Клеточные технологии в биологии и медицине. 2020. № 4. C. 237–246. https://doi.org/10.47056/1814-3490-2020-4-237-246.

19. Cui X., Hartanto Y., Zhang H. Advances in multicellular spheroids formation // J. R. Soc. Interface. 2017. V. 14, No 127. Art. 20160877. https://doi.org/10.1098/rsif.2016.0877.

20. Grevenstein D., Mamilos A., Schmitt V.H., Niedermair T., Wagner W., Kirkpatrick C.J., Brochhausen C. Excellent histological results in terms of articular cartilage regeneration after spheroid-based autologous chondrocyte implantation (ACI) // Knee Surg. Sports Traumatol. Arthrosc. 2021. V. 29, No 2. P. 417–421. https://doi.org/10.1007/s00167-020-05976-9.

21. Muir H. The chondrocyte, architect of cartilage. Biomechanics, structure, function and molecular biology of cartilage matrix macromolecules // BioEssays. 1995. V. 17, No 12. P. 1039–1048. https://doi.org/10.1002/bies.950171208.

22. Astashkina A., Grainger D.W. Critical analysis of 3-D organoid in vitro cell culture models for high-throughput drug candidate toxicity assessments // Adv. Drug Delivery Rev. 2014. V. 69–70. P. 1–18. https://doi.org/10.1016/j.addr.2014.02.008.

23. Esch E.W., Bahinski A., Huh D. Organs-on-chips at the frontiers of drug discovery // Nat. Rev. Drug Discovery. 2015. V. 14, No 4. P. 248–260. https://doi.org/10.1038/nrd4539.

24. Hjelm B.E., Berta A.N., Nickerson C.A., Arntzen C.J., Herbst-Kralovetz M.M. Development and characterization of a three-dimensional organotypic human vaginal epithelial cell model // Biol. Reprod. 2010. V. 82, No 3. P. 617–627. https://doi.org/10.1095/biolreprod.109.080408.

25. Radtke A.L., Herbst-Kralovetz M.M. Culturing and applications of rotating wall vessel bioreactor derived 3D epithelial cell models // J. Visualized Exp. 2012. No 62. Art. e3868. https://doi.org/10.3791/3868.

26. Shologu N., Gurdal M., Szegezdi E., FitzGerald U., Zeugolis D.I. Macromolecular crowding in the development of a three-dimensional organotypic human breast cancer model // Biomaterials. 2022. V. 287. Art. 121642. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2022.121642.

27. Neame P.J., Barry F.P. The link proteins // Experientia. 1993. V. 49, No 5. P. 393–402. https://doi.org/10.1007/BF01923584.

28. Wilusz R.E., Sanchez-Adams J., Guilak F. The structure and function of the pericellular matrix of articular cartilage // Matrix Biol. 2014. V. 39. P. 25–32. https://doi.org/10.1016/j.matbio.2014.08.009.