Профил на биологична съвместимост на биоматериали за протокол за регенерация на костите (преведено на
Обобщение
Броят на новите биоматериали, предназначени за възстановяване на големи костни увреждания, непрекъснато се разширява с цел подобряване на заздравяването на костите и преодоляване на усложнения, свързани с костната трансплантация. Тук представяме мултидисциплинарна стратегия за предклинично изпитване за биосъвместимост на биоматериали за възстановяване на костите.
Резюме
Въведение
Костното възстановяване е сложен процес, който започва с образуване на хематом, възпаление, образуване на калус и след това ремоделиране 1, 2. Потенциалът за костна регенерация обаче е ограничен до размера на костната фрактура 1, 3. Например, големи костни фрактури, причинени от травма, рак или остеопороза, не могат да бъдат излекувани и се наричат несъединени костни фрактури. Тези костни лезии често изискват лечение за насърчаване на здрава физиологична регенерация и възстановяване на костите. Понастоящем автотрансплантацията и алогенната костна трансплантация са подходът на избор 4 с 2,2 милиона процедури за костно заместване на година 5. Въпреки че тези процедури имат висок процент на успех, може да има усложнения, например ограничена наличност на кости, инфекция, заболеваемост на мястото на донора и отхвърляне 4. Търсят се нови алтернативи за инженерството на костната тъкан, за да се отговори на тези предизвикателства.
Дизайнът на биоматериали на базата на естествени или синтетични полимери, биокерамика или метали в комбинация с биоактивни клетки и молекули се увеличава 6. Сегашното ни разбиране за физиологичното заздравяване на костите и заздравяването в контекста на биоматериали зависи от различни фактори като механични свойства и множество локални и системни фактори, включително циркулиращи клетки и мястото на фрактурата 7, 8, 9. Биоматериалите за костна регенерация имат за цел да насърчат остеогенността и остеоинтеграцията 10 и са идеално биосъвместими и биоразградими порести (насърчават хранителни вещества, кислород и клетъчна миграция). Те също трябва да са достатъчно здрави, за да поддържат мястото на фрактурата за облекчаване на болката. Освен това са необходими възпалителни фактори, които да инициират лечебния процес. Ако обаче биоматериалът предизвика прекомерно възпаление и алергични реакции, той може да ограничи или инхибира заздравяването на костите 11, 12. По този начин е необходим интердисциплинарен подход за оценка на биоматериалите, предназначени за възстановяване на костите.
В това проучване ние представяме предклинична оценка на представителни материали, 1) Orthovita Vitoss пяна, която е търговски наличен заместител на костна присадка, състоящ се от трикалциев фосфат, съставен от наноразмерни чисти частици β трикалциев фосфат (β-TCP) и говежди тип 1 ( В) колаген (β-TCP/C пяна) и 2) β-TCP дискове. Тук илюстрираме анализ за биосъвместимост на тези биоматериали, използвайки анализи за първични остеобласти (OB) и остеокласти (OC), in vivo модел за възстановяване на костите, имунологична оценка, включваща in vitro пролиферация на Т-клетки и производство на цитокини и in vivo имуногенност и алергенност, като заявено по-рано 13 .
Необходим е абонамент. Моля, препоръчайте JoVE на вашия библиотекар.
Протокол
Процедурите са извършени с мишки BALB/c следвайки всички насоки за грижа и използване на лабораторни животни от австрийското Министерство на образованието, науката и изследванията и са одобрени от Комитета по етика на министерството Австрийско образование, наука и изследвания.
1. Основна култура на мишката OB
2. OB-OC мишки съвместно култивират, за да получат зрели OC
3. критичен размер модел на мишката по подразбиране
4. in vitro имунни отговори
5. интраперитонеален модел с висок поток
6. субхронен модел подкожна токсичност
Необходим е абонамент. Моля, препоръчайте JoVE на вашия библиотекар.
Представителни резултати
За да оценим β-TCP за ефективността му като биоматериал за възстановяване на костите, използвахме in vitro и in vivo скринингови методи. Първо, ние измерихме OB отговорите на β-TCP дисковете в сравнение с контролите само за базова линия. Фигура 2 показва жизнеспособността на OB в отговор на β-TCP дискове на 7 и 14 дни култура. Клетъчната жизнеспособност, измерена от метаболитно активни клетки в ямки за култивиране, е еднаква за OB с пластична тъканна културална среда, както и с β-TCP дискове, показващи, че този биоматериал нито засилва, нито потиска разпространението.
За да продължим да оценяваме OB, измерихме активността на ALP като маркер за диференциация, използвайки както качествени, така и количествени подходи. Фигура 2 илюстрира ALP ензимната активност в кладенци след 7 дни култивиране. OB в кладенци със среда само имат базална активност на ALP, докато в средната оптимална минерализация (MM) OB имат интензивно ALP оцветяване, отразяващо високо ниво на OB диференциация. За разлика от тях, OB се поставят върху диференцирани β-TCP дискове, освен ако OB се инкубират в MM. При количествен анализ концентрацията на ALP е била 77% по-висока за кладенци, съдържащи MM, в сравнение само с базалната среда, докато концентрацията на ALP е била с 40% по-ниска в клетките, отглеждани на β-TCP дискове в сравнение с контролите. MM. Въпреки че тези резултати показват, че клетките, отглеждани на диференцирани β-TCP дискове, са по-ниски от тези при оптимални пластични условия с MM, достатъчно отличени върху биоматериали.
Друга съществена характеристика на OB е способността им да индуцират минерализация, което е съществена стъпка в заздравяването на костите. Оцветихме OB клетки, култивирани с ARS след 14 дни и установихме, че минерализацията е по-висока за MM контролите в сравнение с OB, отглеждани само в среда и на β-TCP дискове в кладенци с култури (Фигура 2). Когато измерихме концентрацията на ARS, установихме, че ММ контролите са с над 45% по-високи от групата на β-TCP. Тези данни илюстрират, че OB, отглеждани върху пластмаса в присъствието на зряла ММ, се диференцират и минерализират по-добре от тези с единична среда и на β-TCP дискове.