Эффективность производства ткани

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 13737 (2023) Цитировать эту статью

226 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Биореакторные системы — очень ценные инструменты для создания живых костных трансплантатов in vitro. Целью данного исследования было сравнение эффективности вращающегося и перфузионного биореактора при производстве живой костной конструкции. Мезенхимальные стволовые клетки, полученные из костного мозга человека (BMDSC), высевали на поверхности каркасов на основе гидроксиапатита и культивировали в течение 21 дня в трех различных условиях: (1) статическая 3D-культура, (2) 3D-культура в перфузионном биореакторе и ( 3) динамическая 3D-культура во вращающемся биореакторе. Количественная оценка количества клеток показала, что культивирование в перфузионном биореакторе значительно снижает пролиферацию клеток по сравнению с вращающимся биореактором и статической культурой. Тест на остеогенную дифференцировку показал, что BMDSC, культивируемые во вращающемся биореакторе, продуцируют значительно большее количество остеопонтина по сравнению с клетками, культивируемыми в перфузионном биореакторе. Более того, рамановская спектроскопия показала, что культивирование BMDSC во вращающемся биореакторе усиливает минерализацию внеклеточного матрикса (ECM), которая характеризуется карбонатным замещением гидроксиапатита B-типа (связанным с группами PO43-) и более высоким соотношением минерала к матрице по сравнению с ECM. клеток, культивируемых в перфузионной системе. Таким образом, был сделан вывод, что вращающийся биореактор значительно эффективнее перфузионного при создании конструкции костной ткани in vitro.

С годами инженерия костной ткани (БТЭ) приобрела растущий интерес к клиническому применению для восстановления костных дефектов. Было замечено, что БТЭ может преодолеть многочисленные недостатки естественных костных трансплантатов (аутографтов, аллотрансплантатов и ксенотрансплантатов), такие как ограниченные источники доноров, заболеваемость донорского места и передача заболевания. Применение тканеинженерного костного трансплантата включает следующие этапы: (i) выделение и размножение клеток, (ii) выращивание клеток на поверхности каркаса, (iii) культивирование in vitro засеянного клетками биоматериала для создания живого костного трансплантата. и (iii) имплантация полученного трансплантата в место повреждения1,2. Для успешного создания живого костного трансплантата in vitro решающим вопросом является имитация микроокружения in vivo путем воздействия на остеопрогениторные клетки/мезенхимальные стволовые клетки адекватным стимулам/факторам. Хорошо известно, что традиционный метод статического культивирования трехмерных (3D) конструкций недостаточно хорош для обеспечения соответствующих условий (например, достаточного транспорта питательных веществ к клеткам) для получения костной ткани, напоминающей ту, которая возникает in vivo. Следовательно, биореакторные системы можно использовать для повышения надежности и эффективности создания костного трансплантата путем контроля важнейших параметров во время культивирования клеток и обеспечения однородного распределения клеток, достаточных концентраций газа и питательных веществ, удаления отходов и механических сил3,4. Существуют различные типы биореакторных систем, например перфузионные биореакторы, вращающиеся биореакторы, биореакторы с вращающимися колбами, которые могут обеспечить подходящие условия для создания костного трансплантата in vitro.

В перфузионных биореакторах используется насосная система, которая непрерывно перфузирует культуральную среду, обеспечивая соответствующий массовый транспорт питательных веществ и газов и контролируемые механические стимулы5. Перфузионные системы обычно состоят из насоса, резервуара с культуральной средой, контура трубок, сосудов, удерживающих каркасы, и резервуара для отходов3,4. Важным параметром в этих системах является скорость потока среды, которая может вызывать напряжения сдвига стенок, влияющие на микроокружение клеток и тем самым поддерживающие процесс формирования кости2,4. Несколько исследований показали, что культура клеток в перфузионных биореакторах усиливает остеогенную дифференцировку остеопрогениторных клеток/мезенхимальных стволовых клеток по сравнению со статической культурой за счет увеличения экспрессии генов, связанных с остеогенезом (например, остеопонтина (OPN), костной щелочной фосфатазы (bALP), остеокальцина (OC), коллаген I типа (Col I))6,7,8. В свою очередь, динамические биореакторы (например, вращающиеся биореакторы, биореакторы с вращающимися колбами) были разработаны в первую очередь для однородной подачи питательных веществ и кислорода и создания среды с низким сдвигом, которая играет важную роль в улучшении остеогенеза путем активации сигнальных путей механотрансдукции6,9. Разработанная Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) вращающаяся система культивирования клеток (RCCS) имитирует условия относительной микрогравитации, обеспечивая как среду с низким сдвигом, так и оптимальную массоперенос9. Наиболее распространенная СКУД состоит из поворотного основания с регулированием скорости вращения и горизонтально вращающегося сосуда. Биоматериалы, засеянные клетками, можно хранить либо в свободном падении, либо фиксировать на игле во вращающемся сосуде. Более того, этот тип биореактора также можно использовать без биоматериалов для создания трехмерных агрегатов клеток, напоминающих ткани in vivo2. Подобно перфузионным биореакторам, некоторые исследования показали, что метод культивирования на основе вращения увеличивает экспрессию генов, связанных с остеогенезом (например, bALP, OC, Col I) и минерализацию внеклеточного матрикса (ECM) в мезенхимальных стволовых клетках по сравнению со статической культурой10. 11,12.