Preview

Уральский медицинский журнал

Расширенный поиск

Перспективные направления применения гидрогелей для внутрисуставного лечения остеоартрита

https://doi.org/10.52420/2071-5943-2023-22-5-103-114

Аннотация

Введение. Остеоартрит (ОА) – это дегенеративное заболевание, которое приводит к постепенной потере хряща и образованию остеофитов, а соответственно – к нестабильности суставов, болям и ограниченной мобильности. Варианты лечения включают лекарственную терапию, физиотерапию, изменение образа жизни и операции по коррекции или замене суставов. Внутрисуставные методы лечения, такие как введение гидрогелей, модифицированных для конкретных клинических задач, становятся все более популярными благодаря своей способности обеспечивать целевое и эффективное облегчение с минимальными побочными эффектами.

Цель работы – оценка использования гидрогелей для внутрисуставного лечения остеоартрита на основании анализа научной литературы.

Материалы и методы. Литературные источники отобраны в базах данных PubMed, ScienceDirect и SciSpace с использованием тематических поисковых запросов: “hydrogel” AND “intra?articular” AND “osteoarthritis”. Период поиска был ограничен 2018–2023 гг. публикации. В результате первичного отбора статей по поисковым славам обнаружено 1 576 статей, после анализа и применения критериев исключения в обзор были включены 53 наиболее значимых источника.

Результаты. Определены два типа гидрогелей для внутрисуставного применения: инъекционные и имплантируемые. Инъекционные гидрогели применяют для замены синовиальной жидкости, доставки лекарственных средств или заполнения очаговых дефектов хряща. Имплантируемые гидрогели используют для замены или восстановления поврежденного хряща в суставах, пораженных ОА, что обеспечивает восстановление целостности их поверхности, редукцию болевого синдрома и улучшение функции.

Обсуждение. Гидрогели демонстрируют перспективность в качестве потенциального материала для лечения ОА, поскольку обладают рядом преимуществ, таких как биомимикрия, биосовместимость, малоинвазивность введения и способность доставлять терапевтические агенты непосредственно в пораженный сустав. Однако существует ряд ограничений: неконтролируемая деградация, небольшая долговечность, высокая вероятность негативных местных и системных иммунных реакций.

Заключение. Необходимы дальнейшие исследования для оптимизации конструкции и состава гидрогелей для клинического использования, включая разработку новых композиций с программируемыми свойствами, изучение долгосрочных эффектов и сравнение эффективности с другими методами лечения ОА. 

Об авторах

С. А. Чернядьев
Уральский государственный медицинский университет
Россия

Сергей Александрович Чернядьев, доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой хирургических болезней, сердечно- сосудистой хирургии, реконструктивной и пластической хирургии

Екатеринбург



А. В. Жиляков
Уральский государственный медицинский университет
Россия

Андрей Викторович Жиляков, доктор медицинских наук; доцент кафедры хирургических болезней, сердечно-сосудистой хирургии, реконструктивной и пластической хирургии

Екатеринбург



А. В. Пестов
Институт органического синтеза им. И.Я. Постовского
Россия

Александр Викторович Пестов, кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник

Екатеринбург



Е. А. Веретенникова
Институт органического синтеза им. И.Я. Постовского
Россия

Елизавета Андреевна Веретенникова, магистр химии, аспирант

Екатеринбург



Н. А. Друкаренко
Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова
Россия

Никита Александрович Друкаренко, младший научный сотрудник

Екатеринбург



И. С. Каманцев
Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова
Россия

Иван Сергеевич Каманцев, кандидат технических наук, заведующий сектором новых материалов и технологий

Екатеринбург

 



А. В. Кузнецов
Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова
Россия

Алексей Викторович Кузнецов, кандидат технических наук, научный сотрудник

Екатеринбург



Список литературы

1. Georgiev T, Angelov AK. Modifiable risk factors in knee osteoarthritis: treatment implications. Rheumatol Int. 2019;39(7):1145–1157. https://doi.org/10.1007/S00296-019-04290-Z.

2. Harlaar J, Macri EM, Wesseling M. Osteoarthritis year in review 2021: mechanics. Osteoarthritis Cartilage. 2022;30(5):663–670. https://doi.org/10.1016/j.joca.2021.12.012.

3. Al-Khazraji BK, Appleton CT, Beier F et al. Osteoarthritis, cerebrovascular dysfunction and the common denominator of inflammation: a narrative review. Osteoarthritis Cartilage. 2018;26(4):462–470. https://doi.org/10.1016/J.JOCA.2018.01.011.

4. Sun ARJ, Udduttula A, Li J et al. Cartilage tissue engineering for obesity-induced osteoarthritis: Physiology, challenges, and future prospects. J Orthop Translat. 2020;26:3–15. https://doi.org/10.1016/J.JOT.2020.07.004.

5. Pak J, Lee JH, Pak N et al. Cartilage regeneration in humans with adipose tissue-derived stem cells and adipose stromal vascular fraction cells: updated status. Int J Mol Sci. 2018;19(7):2146. https://doi.org/10.3390/ijms19072146.

6. Armiento AR, Alini M, Stoddart MJ. Articular fibrocartilage – why does hyaline cartilage fail to repair? Adv Drug Deliv Rev. 2019;146:289–305. https://doi.org/10.1016/J.ADDR.2018.12.015.

7. Murata K, Kokubun T, Morishita Y et al. Controlling abnormal joint movement inhibits response of osteophyte formation. Cartilage. 2018;9(4):391–401. https://doi.org/10.1177/1947603517700955.

8. van der Kraan PM. The interaction between joint inflammation and cartilage repair. Tissue Eng Regen Med. 2019;16(4):327–334. https://doi.org/10.1007/S13770-019-00204-Z.

9. Rathbun AM, Schuler MS, Stuart EA et al. Depression subtypes in individuals with or at risk for symptomatic knee osteoarthritis. Arthritis Care Res (Hoboken). 2020;72(5):669–678. https://doi.org/10.1002/ACR.23898.

10. Gahunia HK, Pritzker KPH. Structure and function of articular cartilage. Articular Cartilage of the Knee: Health, Disease and Therapy. 2020. pp. 3–70. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-7587-7_1.

11. Lyndin M, Gluschenko N, Sikora V et al. Morphofunctional features of articular cartilage structure. Folia Med Cracov. 2019;59(3):81–93. https://doi.org/10.24425/FMC.2019.131138.

12. Chow YY, Chin KY. The Role of inflammation in the pathogenesis of osteoarthritis. Mediators Inflamm. 2020;2020:8293921. https://doi.org/10.1155/2020/8293921.

13. Øiestad BE, Juhl CB, Culvenor AG et al. Knee extensor muscle weakness is a risk factor for the development of knee osteoarthritis: an updated systematic review and meta-analysis including 46 819 men and women. Br J Sports Med. 2022;56(5):349–355. https://doi.org/10.1136/BJSPORTS-2021-104861.

14. Emami A, Namdari H, Parvizpour F, Arabpour Z. Challenges in osteoarthritis treatment. Tissue Cell. 2023;80. https://doi.org/10.1016/j.tice.2022.101992.

15. Richard MJ, Driban JB, McAlindon TE. Pharmaceutical treatment of osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 2022;31(4):458–466. https://doi.org/10.1016/j.joca.2022.11.005.

16. Mou D, Yu Q, Zhang J et al. Intra-articular injection of chitosan-based supramolecular hydrogel for osteoarthritis treatment. Tissue Eng Regen Med. 2021;18(1):113–125. https://doi.org/10.1007/s13770-020-00322-z.

17. Bierbrauer KL, Alasino RV, Barclay FE et al. Biocompatible hydrogel for intra-articular implantation comprising cationic and anionic polymers of natural origin: In vivo evaluation in a rabbit model. Polymers (Basel). 2021;13(24):4426. https://doi.org/10.3390/POLYM13244426.

18. Mellati A, Akhtari J. Injectable hydrogels: a review of injectability mechanisms and biomedical applications. Research in Molecular Medicine (RMM). 2019;6(4):1–14. https://doi.org/10.18502/RMM.V6I4.4799.

19. Rizzo F, Kehr NS. Recent advances in injectable hydrogels for controlled and local drug delivery. Adv Healthc Mater. 2021;10(1):e2001341. https://doi.org/10.1002/ADHM.202001341.

20. Wei W, Ma Y, Yao X et al. Advanced hydrogels for the repair of cartilage defects and regeneration. Bioact Mater. 2020;6(4):998–1011. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.09.030.

21. Gonçalves C, Carvalho DN, Silva TH et al. Engineering of viscosupplement biomaterials for treatment of osteoarthritis: a comprehensive review. Adv Eng Mater. 2022;24:2101541. https://doi.org/10.1002/ADEM.202101541.

22. Cai Z, Zhang H, Wei Y et al. Shear-thinning hyaluronan-based fluid hydrogels to modulate viscoelastic properties of osteoarthritis synovial fluids. Biomater Sci. 2019;7(8):3143–3157. https://doi.org/10.1039/C9BM00298G.

23. Scognamiglio F, Travan A, Donati I et al. A hydrogel system based on a lactose-modified chitosan for viscosupplementation in osteoarthritis. Carbohydr Polym. 2020;248:116787. https://doi.org/10.1016/J.CARBPOL.2020.116787.

24. Toropitsyn E, Pravda M, Rebenda D et al. A composite device for viscosupplementation treatment resistant to degradation by reactive oxygen species and hyaluronidase. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2022;110(12):2595–2611. https://doi.org/10.1002/JBM.B.35114.

25. Pontes-Quero GM, García-Fernández L, Aguilar MR et al. Active viscosupplements for osteoarthritis treatment. Semin Arthritis Rheum. 2019;49(2):171–183. https://doi.org/10.1016/J.SEMARTHRIT.2019.02.008.

26. Cao Y, Ma Y, Tao Y et al. Intra-articular drug delivery for osteoarthritis treatment. Pharmaceutics. 2021;13(12):2166. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13122166.

27. Gambaro FM, Ummarino A, Andón FT et al. Drug delivery systems for the treatment of knee osteoarthritis: A systematic review of in vivo studies. Int J Mol Sci. 2021;22(17):9137. https://doi.org/10.3390/IJMS22179137.

28. Makvandi P, Della Sala F, Di Gennaro M et al. A hyaluronic acid-based formulation with simultaneous local drug delivery and antioxidant ability for active viscosupplementation. ACS Omega. 2022;7(12):10039–10048. https://doi.org/10.1021/ACSOMEGA.1C05622.

29. Toropitsyn E, Ščigalková I, Pravda M, Velebný V. Injectable Hyaluronicacid hydrogel containing platelet derivatives for synovial fluid viscosupplementation and growth factors delivery. Macromol Biosci. 2023;23(4):e2200516. https://doi.org/10.1002/MABI.202200516.

30. Xu J, Feng Q, Lin S et al. Injectable stem cell-laden supramolecular hydrogels enhance in situ osteochondral regeneration via the sustained co-delivery of hydrophilic and hydrophobic chondrogenic molecules. Biomaterials. 2019;210:51–61. https://doi.org/10.1016/J.BIOMATERIALS.2019.04.031.

31. Prince DA, Villamagna IJ, Borecki A et al. Thermoresponsive and covalently cross-linkable hydrogels for intraarticular drug delivery. ACS Appl Bio Mater. 2019;2(8):3498–3507. https://doi.org/10.1021/acsabm.9b00410.

32. Li J, Weber E, Guth-Gundel S et al. Tough composite hydrogels with high loading and local release of biological drugs. Adv Healthc Mater. 2018;7(9):e1701393. https://doi.org/10.1002/ADHM.201701393.

33. Liu L, Xiang Y, Wang Z et al. Adhesive liposomes loaded onto an injectable, self-healing and antibacterial hydrogel for promoting bone reconstruction. NPG Asia Mater. 2019;11:81. https://doi.org/10.1038/S41427-019-0185-Z.

34. Ishikawa S, Yoshikawa Y, Kamata H et al. Injectable hydrogels with phase-separated structures that can encapsulate live cells. BioRxiv. 2022. https://doi.org/10.1101/2022.01.31.478579.

35. Moeinzadeh S, Park Y, Lin S, Yang YP. In-situ stable injectable collagen-based hydrogels for cell and growth factor delivery. Materialia (Oxf). 2021;15:100954. https://doi.org/10.1016/J.MTLA.2020.100954.

36. Young SA, Riahinezhad H, Amsden BG. In situ -forming, mechanically resilient hydrogels for cell delivery. J Mater Chem B. 2019;7(38):5742–5761. https://doi.org/10.1039/C9TB01398A.

37. Zhu S, Li Y, He Z et al. Advanced injectable hydrogels for cartilage tissue engineering. Front Bioeng Biotechnol. 2022;10:954501. https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.954501.

38. Yu W, Hu B, Boakye-Yiadom KO et al. Injectable hydrogel mediated delivery of gene-engineered adiposederived stem cells for enhanced osteoarthritis treatment. Biomater Sci. 2021;9(22):7603–7616. https://doi.org/10.1039/D1BM01122G.

39. Wang S, Qiu Y, Qu L et al. Hydrogels for treatment of different degrees of osteoarthritis. Front Bioeng Biotechnol. 2022;10:858656. https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.858656.

40. Gaetano G, Giuseppe P, Salvatore PF et al. Hyaluronic-based antibacterial hydrogel coating for implantable biomaterials in orthopedics and trauma: from basic research to clinical applications. Chapter Hydrogels. 2018. https://doi.org/10.5772/INTECHOPEN.73203.

41. Garg D, Matai I, Sachdev A. Toward designing of anti-infective hydrogels for orthopedic implants: from lab to clinic. ACS Biomater Sci Eng. 2021;7(6):1933–1961. https://doi.org/10.1021/ACSBIOMATERIALS.0C01408.

42. Takemura S, Minoda Y, Sugama R et al. Comparison of a Vitamin E-infused highly crosslinked polyethylene insert and a conventional polyethylene insert for primary total knee arthroplasty at two years postoperatively. Bone Joint J. 2019;101–B(5):559–564. https://doi.org/10.1302/0301-620X.101B5.BJJ-2018-1355.R1.

43. De Meo D, Ceccarelli G, Iaiani G et al. Clinical application of antibacterial hydrogel and coating in orthopaedic and traumatology surgery. Gels. 2021;7(3):126. https://doi.org/10.3390/GELS7030126.

44. Zhang Y, Liu X, Zeng L et al. Polymer fiber scaffolds for bone and cartilage tissue engineering. Adv Funct Mater. 2019;29:1903279. https://doi.org/10.1002/ADFM.201903279.

45. Niu X, Li N, Du Z, Li X. Integrated gradient tissue-engineered osteochondral scaffolds: Challenges, current efforts and future perspectives. Bioact Mater. 2022;20:574–597. https://doi.org/10.1016/J.BIOACTMAT.2022.06.011.

46. Jiang W, Xiang X, Song M et al. An all-silk-derived bilayer hydrogel for osteochondral tissue engineering. Mater Today Bio. 2022;17:100485. https://doi.org/10.1016/J.MTBIO.2022.100485.

47. Zhao T, Wei Z, Zhu W, Weng X. Recent developments and current applications of hydrogels in osteoarthritis. Bioengineering (Basel). 2022;9(4):132. https://doi.org/10.3390/BIOENGINEERING9040132.

48. Radhakrishnan J, Manigandan A, Chinnaswamy P et al. Gradient nano-engineered in situ forming composite hydrogel for osteochondral regeneration. Biomaterials. 2018;162:82–98. https://doi.org/10.1016/J.BIOMATERIALS.2018.01.056.

49. Luo Y, Cao X, Chen J et al. Platelet-derived growth factor-functionalized scaffolds for the recruitment of synovial mesenchymal stem cells for osteochondral repair. Stem Cells Int. 2022;2022:2190447. https://doi.org/10.1155/2022/2190447.

50. Asensio G, Benito-Garzón L, Ramírez-Jiménez RA et al. Biomimetic gradient scaffolds containing hyaluronic acid and SR/ZN folates for osteochondral tissue engineering. Polymers (Basel). 2022;14(1):12. https://doi.org/10.3390/polym14010012.

51. Chuang EY, Chiang CW, Wong PC, Chen CH. Hydrogels for the application of articular cartilage tissue engineering: a review of hydrogels. Adv Mater Sci Eng. 2018;2018:4368910. https://doi.org/10.1155/2018/4368910.

52. Lim D, Renteria ES, Sime DS et al. Bioreactor design and validation for manufacturing strategies in tissue engineering. Biodes Manuf. 2022;5(1):43–63. https://doi.org/10.1007/S42242-021-00154-3.

53. Gamez C, Schneider-Wald B, Schuette A et al. Bioreactor for mobilization of mesenchymal stem/stromal cells into scaffolds under mechanical stimulation: Preliminary results. PLoS ONE. 2020;15(1):e0227553. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0227553.

54. Daly AC, Sathy BN, Kelly DJ. Engineering large cartilage tissues using dynamic bioreactor culture at defined oxygen conditions. J Tissue Eng. 2018;9: 2041731417753718. https://doi.org/10.1177/2041731417753718.

55. Oprita EI, Iosageanu A, Craciunescu O. Progress in composite hydrogels and scaffolds enriched with icariin for osteochondral defect healing. Gels. 2022;8(10):648. https://doi.org/10.3390/gels8100648.

56. Kim YS, Guilak F. Engineering hyaluronic acid for the development of new treatment strategies for osteoarthritis. Int J Mol Sci. 2022;23(15):8662. https://doi.org/10.3390/ijms23158662.

57. Xu B, Ye J, Yuan FZ et al. Advances of stem cell-laden hydrogels with biomimetic microenvironment for osteochondral repair. Front Bioeng Biotechnol. 2020;8:247. https://doi.org/10.3389/FBIOE.2020.00247.

58. Mohammadinejad R, Kumar A, Ranjbar-Mohammadi M et al. Recent advances in natural gum-based biomaterials for tissue engineering and regenerative medicine: a review. Polymers (Basel). 2020;12(1):176. https://doi.org/10.3390/polym12010176.

59. Spitters TWGM, Stamatialis D, Petit A et al. In vitro evaluation of small molecule delivery into articular cartilage: effect of synovial clearance and compressive load. Assay Drug Dev Technol. 2019;17(4):191–200. https://doi.org/10.1089/ADT.2018.907.

60. Aisenbrey EA, Tomaschke A, Kleinjan E et al. A stereolithography-based 3D printed hybrid scaffold for in situ cartilage defect repair. Macromol Biosci. 2018;18(2): mabi.201700267. https://doi.org/10.1002/mabi.201700267.

61. Lam T, Dehne T, Krüger JP et al. Photopolymerizable gelatin and hyaluronic acid for stereolithographic 3D bioprinting of tissue-engineered cartilage. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2019;107(8):2649–2657. https://doi.org/10.1002/JBM.B.34354.

62. Li W, Wu D, Hu D et al. Stress-relaxing double-network hydrogel for chondrogenic differentiation of stem cells. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2020;107:110333. https://doi.org/10.1016/J.MSEC.2019.110333.

63. Li H, Qi Z, Zheng S et al. The application of hyaluronic acid-based hydrogels in bone and cartilage tissue engineering. Adv Mater Sci Eng. 2019;2019: 3027303. https://doi.org/10.1155/2019/3027303.


Рецензия

Для цитирования:


Чернядьев СА, Жиляков АВ, Пестов АВ, Веретенникова ЕА, Друкаренко НА, Каманцев ИС, Кузнецов АВ. Перспективные направления применения гидрогелей для внутрисуставного лечения остеоартрита. Уральский медицинский журнал. 2023;22(5):103-114. https://doi.org/10.52420/2071-5943-2023-22-5-103-114

For citation:


Chernjad'ev SA, Zhilyakov AV, Pestov AV, Veretennikova EA, Drukarenko NA, Kamancev IS, Kuznecov AV. Prospective applications of hydrogels for the intra-articular treatment of osteoarthritis. Ural Medical Journal. 2023;22(5):103-114. (In Russ.) https://doi.org/10.52420/2071-5943-2023-22-5-103-114

Просмотров: 243


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International.


ISSN 2071-5943 (Print)
ISSN 2949-4389 (Online)