مهندسی پیوندهای استخوان دارای عروق با ادغام یک پریوستئوم زیست تقلید و داربست بتا تری کلسیم فسفات

درمان نقص های بزرگ استخوان با استفاده از داربست های مصنوعی عمدتا به دلیل عدم عروق رسانی کافی به صورت یک چالش باقی مانده است. هدف این مطالعه مهندسی  یک پیوند استخوانی عروق دار بوسیله ادغام یک پریوستئوم (پوشش خارجی استخوان) مهندسی شده به شکل صفحه سلولی عروق دار زیست تقلید (CSEP) و داربست بتا تری کلسیم فسفات زیست تخریب پذیر (TCP- β) متخلخل بود. ما درابتدا سلول های بنیادی مزانشیمی مغز استخوان انسان ( hMSCs ) را به شکل ورقه های سلولی کشت داده و سپس سلول های اندوتلیال رگ بندناف انسان ( HUVECs ) را بر روی صفحات  سلول های بنیادی مزانشیمی تمایز نیافته برای تشکیل ورق های سلولی عروق دار به منظور تقلید لایه لیفی پروستئوم طبیعی کشت دادیم. یک ورقه معدنی شده از سلول های بنیادی مزانشیمی برای تقلید لایه کامبیوم پریوستئوم طبیعی کشت داده شد. این ورقه معدنی شده از سلول های بنیادی مزانشیمی بدنبال پوشش یافتن توسط صفحه  HUVEC / hMSC عروق دار شده بر روی یک داربست TCP- β  استوانه ای پوشش داده شد، درنتیجه یک پریوستئوم مهندسی شده زیست تقلید بر روی داربست TCP- β تولید کرد. یک داربست TCP- β پوشیده شده با صفحه سلولی با ساختارغیر پریوستئوم و یک TCP- β ساده به عنوان گروه شاهد مورد استفاده قرار گرفت . مطالعات in vitro نشان داد که ورقه hMSCs تمایز نیافته تشکیل شبکه غنی شبه مویرگی از سلول های HUVECs را تسهیل می کند. مطالعات in vivo نشان داد که CSEP  زیست تقلید سبب افزایش آنژیوژنز و آناستوموز عملکردی بین شبکه مویرگی انسانی ایجاد شده در in vitro و عروق موش میزبان شد. تجزیه و تحلیل MicroCT و رنگ آمیزی استئوکلسین نشان داد که پیوند CSEP / β - TCP زیست تقلید، ماتریکس استخوانی بیشتری را نسبت به گروه های دیگر تشکیل می دهد. این نتایج نشان می دهد که CSEP که اجزای سلولی و پیکربندی فضایی پریوستئوم را تقلید می کند نقش مهمی در عروق زایی و استخوانسازی ایفا می کند. مطالعات ما نشان می دهد که پیوند TCP- β   پوشش یافته با یک پریوستئوم زیست تقلید یک روش امیدبخش برای بازسازی استخوان می باشد.

ACS Appl Mater Interfaces. 2014 May 23. [Epub ahead of print]

Engineering vascularized bone grafts by integrating a biomimetic periosteum and β-TCP scaffold.

Kang Y, Ren L, Yang YP.

Abstract

Treatment of large bone defects using synthetic scaffolds remain a challenge mainly due to insufficient vascularization. This study is to engineer a vascularized bone graft by integrating a vascularized biomimetic cell-sheet-engineered periosteum (CSEP) and a biodegradable macroporous beta-tricalcium phosphate (β-TCP) scaffold. We first cultured human mesenchymal stem cells (hMSCs) to form cell sheet and human umbilical vascular endothelial cells (HUVECs) were then seeded on the undifferentiated hMSCs sheet to form vascularized cell sheet for mimicking the fibrous layer of native periosteum. A mineralized hMSCs sheet was cultured to mimic the cambium layer of native periosteum. This mineralized hMSCs sheet was first wrapped onto a cylindrical β-TCP scaffold followed by wrapping the vascularized HUVEC/hMSC sheet, thus generating a biomimetic CSEP on the β-TCP scaffold. A non-periosteum structural cell sheets-covered β-TCP and plain β-TCP were used as controls. In vitro studies indicate that the undifferentiated hMSCs sheet facilitated HUVECs to form rich capillary-like networks. In vivo studies indicate that the biomimetic CSEP enhanced angiogenesis and functional anastomosis between the in vitro preformed human capillary networks and the mouse host vasculature. MicroCT analysis and osteocalcin staining show that the biomimetic CSEP/β-TCP graft formed more bone matrix compared to the other groups. These results suggest that the CSEP that mimics the cellular components and spatial configuration of periosteum plays a critical role in vascularization and osteogenesis. Our studies suggest that a biomimetic periosteum-covered β-TCP graft is a promising approach for bone regeneration.

PMID: 24858072