a) Mikrostruktur av cellbelastade kollagenställningar undersökta under TEM. Celler omges av kollagenmatrisen. Kollagenfibrillerna visade ingen föredragen riktning runt cellerna under kontrollbetingelser, b) IONP kan identifieras i kollagenmatrisen och c) nära cellmembranen. Efter 14 dagar syntetiserades en ny matris av cellerna, d) utan SMF och e) med SMF. Båda villkoren ledde till ny matrissyntes efter 14 dagar, utan någon väsentlig skillnad. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-018-33455-2.
De cellulära och molekylära mekanismerna för magnetisk stimuleringsbaserad benregenerering kräver ytterligare förståelse för närvarande. För att utvärdera fenomenet i labbet, en tredimensionell (3-D) nativ kollagenmodell utvecklades nyligen via plastkompression för att producera en cellulär, tät och mekaniskt stark kollagenstruktur. För att producera cellfyllda modeller i studien, Zhiyu Yuan och kollegor införlivade osteoblastceller (MG-63 cellinje) och magnetiska järnoxid-nanopartiklar (IONP) i kollagengelerna. Med 3D-utskrift, en magnetisk bioreaktor utformades och tillverkades för att stödja celltillväxt under statiska magnetfält (SMF). Med användning av polymeraskedjereaktion (PCR), forskarna bestämde SMF:s inverkan på reglering och uttryck av gener relaterade till osteogenes inklusive runt-relaterad transkriptionsfaktor 2 (Runx2), osteonektin (ON) och benmorfogenetiska proteiner 2 och 4 (BMP-2 och BMP-4).
Nu publicerad i Vetenskapliga rapporter , resultaten visade att SMF, IONP och kollagenmatrisen kunde stimulera spridningen, alkalisk fosfatasproduktion och mineralisering av osteoblaster. Processen aktiverades genom att påverka matris-cellinteraktioner att påverka uttrycket av Runx2, PÅ, BMP-2 och BMP-4. Kollagenmodellen erbjöd insikt att gradvis bilda en ny mineraliserad 3D-benmodell och förstå magnetisk stimulering vid osteogenes. Ytterligare studier kan genomföras med modellen för applikationer inom vävnadsteknik och regenerativ medicin.
Bara i Storbritannien, antalet patienter som lider av benfraktur har en betydande ekonomisk inverkan på livskvaliteten, vilket framgår av kostnader för National Health Services (NHS). Under benskada, den biologiska och mekaniska processen för fysiologisk regenerering ersätter det skadade benet med nytt ben på skadestället. Den metaboliska processen är komplicerad och kräver samspel mellan många faktorer, inklusive tillväxt- och differentieringsfaktorer som hormoner, cytokiner och extracellulära komponenter; under tiden kan otillräckliga eller avbrutna faktorer leda till fördröjd läkning eller nedsatt/icke-förening av ben.
a) jämförelse av MG-63-cellproliferation när den odlas med/utan införlivande av IONP med exponering av SMF (M) och utan exponering av SMF. Cellproliferation kan förbättras med SMF genom att införliva IONP, indikerar en stimulerande effekt, b) Jämföra cellnumren för MG-63-cellinjerna från histologibilder med eller utan SMF. De cellulära svaren från MG-63-cellinjen som odlats på PC-kollagenställningar undersöktes också via histologi för tillstånd c) utan SMF och utan IONP, d) med SMF, e) med IONP och e) kombination av SMF och IONP. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-018-33455-2.
I studien, författarna använde en roman, multifunktionell biomimetisk 3D-kollagenmodell för användning som en in vitro-plattform för att studera mekanismer för magnetisk stimulering vid osteogenes. För att producera en rad cell-laddade modeller, forskarna introducerade inre stimuli (järnoxid -nanopartiklar) och externa (statiska magnetfält, SMF) stimuli in i systemet. Det biomimetiska materialet konstruerades genom tillverkning av nano- och mikrostrukturer med plastkompression, enligt ett tidigare upprättat protokoll. För att utvärdera biologiska beteenden hos osteoblaster, inklusive deras spridning, differentiering, mineralisering, genuttryck och mikrostrukturanalys, forskarna odlade kollagenmodellen i en magnetisk bioreaktor i upp till 42 dagar.
I studien, cellproliferation av osteoblastcellinjen MG-63 utvärderades med användning av alamarBlue-analysen. På dag 14, forskarna observerade en signifikant skillnad mellan SMF ensam, IONPs ensamma och i deras kombination om cellproliferation. Histologiska tekniker användes för att undersöka cellulära svar inom kollagenställningarna och förstå SMF:s och IONP:s roll för cellproliferation. Visualisering följdes av kvantitativ analys av cellnummer, resultaten indikerade att införlivande av IONP förlängde effekten av SMF.
Liknande, celldifferentiering observerades med alkaliskt fosfatas (ALP) aktiviteter för kollagenställningar, med eller utan införlivande av IONP. Som förut, när effekten av IONP och SMF kombinerades var ALP -produktionen signifikant stimulerad jämfört med behandling med enbart SMF och enbart IONP. Cellmineralisering observerades också därefter och kvantifierades i det cellfröade kollagenställningen. Efter 42 dagar färgades alla prover med ARS -färgning för att indikera fullständig mineralisering. I kontrast, att kombinera SMF och IONP kunde inte främja mineralisering.
a) jämförelse av ALP-produktion av MG-63-cellinje när den odlas i kollagenställningar med eller utan införlivande av IONP, med exponering för SMF (M) och utan exponering för SMF. b) Jämföra cellmineralisering genom att extrahera och kvantifiera ARS -färgning från ställningar som behandlats med eller utan SMF -exponering. Cellbelastade kollagenställningar integrerades med IONP (100 µg/ml) resultat samlades in över 1, 21 och 42 dagars kultur. c) ARS -färgning av kollagenställningar i frånvaro av SMF och IONP, d) med SMF, e) med IONP:er, och f) med SMF och IONP. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-018-33455-2.
Därefter, forskarna genomförde studier för att förstå svar från cellfröade kollagenställningar på SMF och IONP på molekylär nivå. För detta, uttrycksnivåerna för Runx2, PÅ, BMP-2 och BMP-4 kvantifierades med användning av kvantitativ polymeraskedjereaktion i realtid (RT-qPCR). En 7-dagars behandling av SMF ensam hade ingen effekt på uttrycket av Runx2, medan ökat uttryck hittades när SMF kombinerades med IONP, visar kollagenmatrisförmedlat Runx2 -uttryck under osteogenes. På dag 7 nivån av ON -uttryck i proverna behandlade med IONP, SMF och båda var högre än i kontrollen inom en kort tidsperiod. Under uttrycket av BMP-2 och BMP-4, liknande resultat observerades under 7-14 dagar.
Genuttryck för a) Runx2, b) osteonektin (ON), c) BMP-2 och d) BMP-4 normaliserades med kontroll GAPDH efter 7 och 14 dagars cellodling. Kreditera: Vetenskapliga rapporter , doi:10.1038/s41598-018-33455-2.
Studien visade främst osteogenes som en komplex process som medieras av successiv aktivering och uttryck av flera nyckelgener, inklusive Runx2, PÅ, BMP-2 och BMP-4. Vanligtvis, Runx2 uppreglerar uttrycket av proteingener relaterade till benmatrisen för att främja benbildning in vitro och in vivo. Följaktligen, studien visade att exponering för SMF kan få cellinjen att föröka sig genom att modulera tidigt uttryck av Runx2, för att påskynda osteogenesen. När IONP införlivades under SMF, uttrycket av osteonektin (ON) gen ökade, länka kollagenfaser med benmineral för att initiera normal skelettvävnadsmineralisering. Liknande, både BMP-2 och BMP-4 ökades endast i studien under kombinerad cellodling med SMF och IONP.
På det här sättet, författarna utvecklade och testade en biomimetisk 3D-kollagenmodell som gradvis kunde mineraliseras för att därefter bilda en ny benmodell in vitro. Modellen införlivades med osteoblastceller och nanopartiklar med förmåga att reagera på yttre magnetiska stimulationer. Den biomimetiska kollagenmodellen konstruerades via plastkompression för att integrera MG-63-cellinjen och visa reproducerbara och konsekventa resultat kombinerat med SMF och IONP. Cell-matrisinteraktionerna uppreglerade framgångsrikt uttrycket av nyckelgener relaterade till osteogenes. Författarna avser att utveckla 3D-modellen ytterligare för att fungera som en överlägsen plattform för att undersöka biologiska beteenden in vitro med potentiella tillämpningar inom vävnadsteknik och regenerativ medicin.
© 2018 Science X Network
