Influence of different concentrations of fibrinogen on the properties of a fibrin matrix for vascular tissue engineering

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Aim. To evaluate the potential utility of fibrin matrices containing 10, 20, and 25 mg/ml of fibrinogen (fibrin-10, fibrin-20, and fibrin-30, respectively) in vascular tissue engineering (VTE).

Materials and Methods. Fibrinogen was isolated using the method of ethanol cryoprecipitation and polymerized using a solution of thrombin and CaCl2. The fibrin structure was studied in a scanning electron microscope, and the physical and mechanical properties of the material were tested on a Zwick/Roell test machine. The metabolic activity of endothelial cells (EC) on the fibrin surface was evaluated by the MTT assay, and the viability of fibroblasts in the thickness of fibrin and possibility for migration by in fluorescent and light microscopy. Percent of fibrin shrinkage was determined from the difference in the sample volumes before and after removal of moisture.

Results. The fiber diameter did not differ among all fibrin samples, but the pore diameter in fibrin-30 was smaller than those in fibrin-10 and fibrin-20. A possibility for migration of fibroblasts into the depth of the fibrin matrix and preservation of 97-100% viability of cells at a depth 5 mm was confirmed. The metabolic activity of EC on the surface of fibrin-20 and fibrin-30 exceeded that on collagen, fibronectin, and fibrin-10. All fibrin samples shrank in volume to 95.5-99.5%, and the highest shrinkage was seen in fibrin-10. The physical and mechanical properties of fibrin were inferior to those of human A. mammaria by a factor of 10.

Conclusion. Fibrin with fibrinogen concentrations of 20 and 30 mg/ml maintains a high metabolic and proliferative activity of EC on the surface and also a high viability of fibroblasts in the matrix. Its availability, ease of preparation, and a number of other favorable properties make fibrin a promising material for VTE. However, the problem of insufficient strength requires further investigations.

About the authors

Vera G. Matveeva

Scientific Research Institute of Complex Problems of Cardiovascular Diseases

Author for correspondence.
Email: matveeva_vg@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4146-3373
SPIN-code: 9914-3705
ResearcherId: I-9475-2017

MD, PhD, Senior Researcher of the Cell Technology Laboratory of the Experimental Medicine Department, Scientific Research Institute of Complex Problems of Cardiovascular Diseases

Russian Federation, Kemerovo

Mariam Yu. Khanova

Scientific Research Institute of Complex Problems of Cardiovascular Diseases

Email: khanovam@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-8826-9244
SPIN-code: 5923-0432
ResearcherId: AAR-7341-2020

Junior Researcher of the Cell Technology Laboratory of the Experimental Medicine Department, Scientific Research Institute of Complex Problems of Cardiovascular Diseases

Russian Federation, Kemerovo

Tatyana V. Glushkova

Scientific Research Institute of Complex Problems of Cardiovascular Diseases

Email: bio.tvg@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4890-0393
SPIN-code: 3151-6002
ResearcherId: H-7659-2017

PhD in Biological sciences, Researcher of the New Biomaterials Laboratory of the Experimental Medicine Department, Scientific Research Institute of Complex Problems of Cardiovascular Diseases

Russian Federation, Kemerovo

Larisa V. Antonova

Scientific Research Institute of Complex Problems of Cardiovascular Diseases

Email: antonova.la@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8874-0788
SPIN-code: 8634-3286
ResearcherId: I-8624-2017

MD, PhD, Head of the Cell Technology Laboratory of the Experimental Medicine Department, Scientific Research Institute of Complex Problems of Cardiovascular Diseases

Russian Federation, Kemerovo

References

  1. Best C, Strouse R, Hor K, et al. Toward a patient-specific tissue engineered vascular graft. Journal of Tissue Engineering. 2018;9. doi: 10.1177/2041731 418764709
  2. Antonova LV, Sevostyanova VV, Seifalian AM, et al. Comparative in vitro testing of biodegradable vascular grafts for tissue engineering applications. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2015; (4):34-41. (In Russ).
  3. Ravi S, Chaikof EL. Biomaterials for vascular tissue engineering. Regenerative Medicine. 2010;5(1): 107-20. doi: 10.2217/rme.09.77
  4. Park CH, Woo KM. Fibrin-Based Biomaterial Applications in Tissue Engineering and Regenerative Medicine. In: Noh I., editor. Biomimetic Medical Materials From Nanotechnology to 3D Bioprinting. Advances in Experimental Medicine and Biology. Seoul, South Korea: Springer Nature Singapore Pte Ltd.; 2018. Vol. 1064. P. 253-61. doi: 10.1007/978-981-13-0445-3_16
  5. Barsotti MC, Magera A, Armani C, et al. Fibrin acts as biomimetic niche inducing both differentiation and stem cell marker expression of early human endothelial progenitor cells. Cell Proliferation. 2011; 44(1):33-48. doi: 10.1111/j.1365-2184.2010.00715.x
  6. Chiu CL, Hecht V, Duong H, et al. Permeability of three-dimensional fibrin constructs corresponds to fibrinogen and thrombin concentrations. BioResearch Open Access. 2012;1(1):34-40. doi:10.1089/ biores.2012.0211
  7. Li W, Sigley J, Pieters M, et al. Fibrin Fiber Stiffness Is Strongly Affected by Fiber Diameter, but Not by Fibrinogen Glycation. Biophysical Journal. 2016;110(6):1400-10. doi: 10.1016/j.bpj.2016.02.021
  8. Aper T, Wilhelmi M, Gebhardt C, et al. Novel method for the generation of tissue-engineered vascular grafts based on a highly compacted fibrin matrix. Acta Biomaterialia. 2016;29:21-32. doi: 10.1016/j.actbio.2015.10.012
  9. Matveeva VG, Khanova MYu, Velikanova EA, et al. Isolation and characteristics of colonyforming endothelial cells from peripheral blood in patients with ischemic heart disease. Tsitologiya. 2018;60(8): 598-608. (In Russ). doi: 10.31116/tsitol.2018.08.03
  10. Weisel JW, Litvinov RI. Mechanisms of fibrin polymerization and clinical implications. Blood. 2013; 121(10):1712-9. doi: 10.1182/blood-2012-09-306639
  11. Profumo A, Turci M, Damonte G, et al. Kinetics of fibrinopeptide release by thrombin as a function of CaCl2 concentration: different susceptibility of FPA and FPB and evidence for a fibrinogen isoform-specific effect at physiological Ca2+ concentration. Biochemistry. 2003;42(42):12335-48. doi: 10.1021/bi034411e
  12. Chen H, Kassab GS. Microstructure-based biomechanics of coronary arteries in health and disease. Journal of Biomechanics. 2016;49(12):2548-59. doi: 10.1016/j.jbiomech.2016.03.023
  13. Aper T, Teebken OE, Steinhoff G, et al. Use of a fibrin preparation in the engineering of a vascular graft model. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 2004;28(3):296-302. doi:10.1016/ j.ejvs.2004.05.016
  14. Kim DH, Han K, Gupta K, et al. Mechano-sensitivity of fibroblast cell shape and movement to anisotropic substratum topography gradients. Biomaterials. 2009;30(29):5433-44. doi: 10.1016/j.biomaterials.2009.06.042
  15. Leon-Valdivieso CY, Wedgwood J, Lallana E, et al. Fibroblast migration correlates with matrix softness. A study in knob-hole engineered fibrin. APL Bioengineering. 2018;2(3):036102. doi: 10.1063/1.5022841
  16. Sternlicht MD, Werb Z. How matrix metallo-proteinases regulate cell behavior. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 2001;17:463-516. doi: 10.1146/annurev.cellbio.17.1.463
  17. Raeber GP, Lutolf MP, Hubbell JA. Molecularly engineered PEG hydrogels: a novel model system for proteolytically mediated cell migration. Biophysical Journal. 2005;89(2):1374-88. doi:10.1529/ biophysj.104.050682
  18. Li Y, Meng H, Liu Y, et al. Fibrin Gel as an Injectable Biodegradable Scaffold and Cell Carrier for Tissue Engineering. The Scientific World Journal. 2015;2015:685690. doi: 10.1155/2015/685690
  19. Moreira R, Neusser C, Kruse M, et al. Tissue-Engineered Fibrin-Based Heart Valve with Bio-Inspired Textile Reinforcement. Advanced Healthcare Materials. 2016;5(16):2113-21. doi:10.1002/ adhm.201600300
  20. Tschoeke B, Flanagan TC, Cornelissen A, et al. Development of a composite degradable/non-degradable tissue-engineered vascular graft. Artificial Organs. 2008;32(10):800-9. doi: 10.1111/j.1525-1594.2008.00601.x
  21. Flanagan TC, Cornelissen C, Koch S, et al. The in vitro development of autologous fibrin-based tissue-engineered heart valves through optimised dynamic conditioning. Biomaterials. 2007;28(23): 3388-97. doi: 10.1016/j.biomaterials.2007.04.012

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Photos of fibrin matrices from the side of the surface and in the thickness

Download (71KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Structural types of the sphenoidal sinus

Download (17KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Photographs of fibroblasts on the surface and in the thickness of fibrin on the 14th day of cultivation (light microscopy, magnification × 100)

Download (37KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Results of MTT test on various surfaces

Download (12KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Shrinkage of fibrin depending on different concentrations of fibrinogen

Download (8KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2021 Matveeva V., Khanova M., Glushkova T., Antonova L.


 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».