Differentiering av hBMSCs till osteoblaster och osteocyter:a – i) Fluorescensimmunhistokemi -avbildning som visar markörer för a – c) tidiga stadier av osteoblastbildning, d – f) mogna osteoblaster, och g – i) osteocytutveckling (5,55 mm glukos). Färgkod:röd - cellcytoplasma, blå - cellkärnor, grön:a) RUNX2 (dag 7), b) OSX (dag 7), c) ALP (dag 26), d) osteocalcin (dag 26), e) osteopontin (dag 26), f) osteonektin (dag 21), g) DMP1 (dag 28), h) podoplanin (dag 28), och i) sklerostin (dag 28). Skalstänger:10 µm. Se figur S4, Stödjande information, för separata kanaler. j) Schematisk illustration av MSC -differentiering till osteoblaster och osteocyter, anger vid vilket tillstånd vilket proteinuttryck som förväntas i a – i. k, l) Fluorescerande bilder som anger självorganiserade domäner för osteocyter inbäddade i en mineraliserad matris efter 8 veckor (25 mm glukos), k) samlokalisering av osteocyter (sklerostin, röd) och mineral (kalcein, grön), och l) kollagen (CNA35, röd) och mineral (kalcein, grön) * Indikerar sidenfibrons ställning.
Tänk dig att använda stamceller från din benmärg för att odla en bit benvävnad i labbet, varefter läkare undersöker vilka läkemedel som har önskad effekt på dina ben. På det här sättet, en skräddarsydd behandlingsplan skulle göras för alla, med det bästa tillvägagångssättet klart i förväg:personlig medicin när den är som bäst.
Den framtidsvisionen är inte längre science fiction nu när forskare från Eindhoven tekniska universitet och Radboud universitetsmedicinska center faktiskt har insett den första delen:att odla en verklighetstrogen benvävnad från mänskliga stamceller. Det är den första organoid av ben, en förenklad version av originalet, forskarna rapporterar idag i tidningen Avancerade funktionella material .
Sammanhängande bild
"Med detta, vi presenterar, för första gången, hela bilden av benbildning i ett tidigt skede, säger Sandra Hofmann, docent i Bioengineering Bone från TU/e. Och det är av stor vikt:hur våra ben bildas är fortfarande till stor del ett mysterium. Ben är ett mycket komplext material där otaliga celler och processer interagerar, och innehåller en genial matris av kollagen och mineral för att ge styrka. Mycket är känt om de enskilda komponenterna, men en sammanhängande bild har saknats fram till nu.
Tre typer av celler spelar huvudrollen i benbildning:osteoblaster (som bygger benvävnad), osteoklaster (som tar bort ben) och osteocyter (som reglerar byggnad och nedbrytning av ben). "De flesta studier hittills har fokuserat på en av dessa typer av celler, men det är inte en bra representation av den verkliga vävnaden, "säger Hofmann." Vi presenterar här en bit vävt ben (tidigt ben) som utvecklats från stamceller och innehåller två typer av dessa celler:osteoblaster och osteocyter. Vi ser nu att vi kan göra verklighetstrogna ben uteslutande med dessa två celltyper. "
ECM -utveckling:a) 3D FIB/SEM -rekonstruktion visar inbäddning av cellerna i kollagenmatrisen (cyan). Diskreta celler representeras med olika färger. b) TEM -bild av en 70 nm sektion som visar slumpmässig fördelning av kollagenfibriller. Kollagentyp I identifierades genom immunmärkning. c – e) Fluorescerande immunhistokemi som identifierar viktiga icke -kollagena proteiner i den kollagena matrisen:c) Samlokalisering av osteocalcin (grönt) och kollagen (rött). d) Osteopontin (grön) distribution i kollagenmatrisen (röd). * Indikerar sidenfibrons ställning. e) Samlokalisering av DMP1 (grönt) med kollagenstrukturen (se figur S5, Stödjande information, för kollagenbild). f – g) Raman -mikrospektrometri av mineraliserade matriser. f) Lokaliserade Ramanspektra för mineraliserat kollagen av utvecklande av zebrafiskben (rött), 3D osteogen samkultur (blå), och mänskligt ben hos en 10 år gammal hona (grå g) Raman -härledda mineral/matrisförhållanden för 4 mineraliserade vävnader av zebrafisk (N =6, röd), Osteogen 3D -kultur (N =7, grön), 10 -årig mänsklig kvinna (N =1, grå), och 48+ år gammal mänsklig man (N =7, svart, taget från ref. [36]). Staplar indikerar provstandardavvikelser. h) Värmekarta presentation av ett 3D FIB/SEM -tvärsnitt som visar oorganiserade kollagenfibriller med olika grader av mineralisering (Figur S10, Stödjande information). Pilspetsar indikerar icke -mineraliserade kollagenfibriller (ljusblå), pilen indikerar mineraliserat kollagenfibril (orange). i) TEM -bild som visar individuella mineraliserade kollagenfibriller.
Blir klokare av molekylär petning
"Och kanske ännu viktigare, vårt system beter sig precis som ett tidigt skelettben, säger Anat Akiva, biträdande professor Cellbiologi vid Radboudumc. "Vi visar att båda celltyperna producerar de proteiner som de behöver för sin funktionalitet, och vi visar med största detalj att matrisen faktiskt är den benmatris vi ser i verklig vävnad. "
Det faktum att en förenklad representation av benbildningen på molekylär nivå nu är möjlig erbjuder oöverträffade möjligheter, enligt forskarna. "Ett ben består av 99% kollagen och mineraler, men det finns också ytterligare 1% proteiner som är avgörande för framgångsrik benbildning, "förklarar professor Nico Sommerdijk från Radboudumc." Så vilken roll har dessa proteiner? Hur stöder de benbildning? Aldrig tidigare har vi kunnat titta på milstolparna i denna process på molekylär nivå. "
Och med det, de har omedelbart en bra ingång för att undersöka orsaken till genetiska bensjukdomar som "sprött bensjukdom" och deras möjliga behandlingar. "Kom ihåg att ursprunget till många sjukdomar är på molekylär nivå - och så är behandlingen, "säger Akiva." Faktum är att vi har nu ett enkelt system i en pålitlig miljö där vi kan peta runt och se hur benceller reagerar på de stimuli vi tillhandahåller. "