De huidige gouden standaard voor bottransplantatiechirurgie omvat autografts en allografts, hoewel er een groeiende vraag bestaat om synthetische biomaterialen te ontwikkelen voor verbeterde bio-integratie in botweefselengineering. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op Natuurcommunicatiematerialen , Hideo Fushimi en een onderzoeksteam in biowetenschappen en techniek, en reconstructieve biotechnologie in Japan en de VS, ontwikkelde een biologisch afbreekbaar steigermateriaal met behulp van recombinante eiwitten of polypeptiden als bron van op hydrogel gebaseerde graftmaterialen. Het team gebruikte menselijke type I collageen-alfa-1-keten (afgekort als RCPhC1) als bron om het recombinante polypeptide te ontwikkelen en toonde de flexibiliteit van het materiaal aan om ideale eigenschappen voor bottransplantaten te ontwikkelen. Het team ontwikkelde ook RCPhC1-bottransplantaten met behulp van een zeer schaalbare, gestroomlijnd productieprotocol voor de robuuste generatie van rijp botweefsel in het laboratorium. Het bottransplantaat werd volledig geresorbeerd na weefselregeneratie in een preklinisch diermodel voor effectieve biologische integratie.

Botweefselmanipulatie met biomimetische, synthetische bottransplantaten

In dit werk, Fushimi et al. ontwikkelde een synthetisch bottransplantaatmateriaal met behulp van een recombinant eiwit, afgekort RCPhC1. De ontwikkeling biedt een veelzijdig bronmateriaal om synthetische bottransplantaten te vervaardigen via flexibele engineering. Met behulp van preklinische studies in botdefectmodellen bij honden en knaagdieren, het team toonde verbeterde efficiëntie van de bottransplantaten om botweefsel te regenereren met structurele volwassenheid. In de klinische orthopedie het verlies van weefselvolume en functie is een kenmerk van letsel, chronische ontsteking, en metabole en genetische ziekten. Hoewel botweefsel actief kan regenereren via proliferatie en osteogene differentiatie van mesenchymale stromale of stamcellen, grote botdefecten vereisen chirurgische ingrepen om botten te herstellen en opnieuw op te bouwen met bottransplantaatmaterialen.

wereldwijd, orthopedisch chirurgen voeren jaarlijks ongeveer 2,2 miljoen bottransplantaten uit in een buitengewoon dure wereldmarkt. Menselijk botweefsel is samengesteld uit organische extracellulaire matrix, gekristalliseerde calcium- en fosformineralen die hydroxyapatiet vormen. Bottransplantaatmaterialen kunnen de structuur en biochemische samenstelling van botweefsel nabootsen. Orthopedisch chirurgen en onderzoekers hebben autologe bottransplantaten (cellen en weefsel verkregen van dezelfde persoon) gebruikt om botdefecten te herstellen als gevolg van minerale en immunologische problemen, hoewel complicaties op de operatieplaats kunnen leiden tot alternatieve transplantatiemethoden zoals allografts (cellen en weefsel verkregen van een ander individu). De nieuwere ontwikkeling van biomimetische, synthetische biomaterialen voor de engineering van botweefsel komen tegemoet aan een dringende behoefte in de gezondheidszorg om nieuwe transplantaatmaterialen te ontwikkelen zonder gebruik te maken van menselijk of dierlijk weefsel.

Het team gebruikte type I collageen, overvloedig tot expressie gebracht in bindweefsels en interstitiële membranen als een belangrijke organische component van botweefsel. De eiwitsequentie van type I collageen speelt een belangrijke rol bij het vaststellen van de mechanische sterkte van bot. Het team kloonde eerst het complementaire DNA (cDNA) - een DNA-kopie van een boodschapper-RNA (mRNA) -molecuul dat codeert voor het polypeptide (eiwitsequentie) RCPhC1, in een expressievector. Om dit te bereiken, ze gebruikten een methylotrofe gistsoort die bekend staat als Pichia pastoris om de sequentie over te dragen en hoofd- en werkende celbanken te genereren. Het team bevestigde de aminozuursamenstelling van het synthetische polypeptide en karakteriseerde het product uitgebreid.

Vervolgens hebben ze de interne structuur van het transplantaatmateriaal ontworpen om aan de specifieke vereisten van het doelweefsel te voldoen. Om een ​​uniforme poriënstructuur te genereren, daarom, Fushimi et al. ontwierp een thin-layer freeze casting (TLFC) protocol. De veelzijdige bevriezingsbenadering genereerde een groot aantal poriën met dunne wanden om een ​​isotrope RCPhC1-steiger met verschillende interne structuren te vormen.

Fushimi et al. onderwierp het materiaal vervolgens aan een dehydrothermische vernettingsbehandeling om het effect van de vernettingstemperatuur en -duur op de samenstelling te testen. Na het testen van het stroomafwaartse product op microbiële contaminatie, de temperatuur tijdens het fabricageproces bleek effectief te zijn voor sterilisatie met droge hitte. Aanvullende tests toonden aan hoe de unieke aminozuursamenstelling van het recombinante eiwit bijdroeg aan de robuuste hydrothermische verknopingsefficiëntie. Het team optimaliseerde vervolgens het recombinante eiwitmateriaal voor bottransplantatie door de concentratie van het polypeptidemateriaal en de vriestemperatuur ervan te reguleren op basis van het volume van transplantaatgeïnduceerd bot in een rat-calvariaal (schedel) botdefectmodel. Vier weken na het enten van het materiaal in het diermodel, het team gebruikte op microcomputertomografie (micro-CT) gebaseerde schatting van het botvolume. De resultaten wezen op een optimale concentratie van 7,5 procent RCPhC1, een vriestemperatuur van -40 tot -60 graden Celsius, en dehydrothermische verknoping bij 130 ° C gedurende 7 uur om het meest geschikt te zijn voor de vervaardiging van recombinant bottransplantaatmateriaal.

Robuuste regeneratie van vitaal botweefsel in preklinische modellen met transplantaatmaterialen

Op basis van de experimenteel geverifieerde optimale omstandigheden, Fushimi et al. vervaardigde de RCPhC1-bottransplantaten met poreuze korrels. Met behulp van het rat-calvariale botdefectmodel, ze lieten zien hoe het bottransplantaat op robuuste wijze botregeneratie induceerde binnen de interne poriestructuur, terwijl het geleidelijk in vivo afbreekt, om biocompatibiliteit en effectieve bio-integratie aan te geven. Ze vergeleken deze uitkomst met een in de handel verkrijgbare runder (koe) gedecellulariseerde poreuze botxenotransplantaat en zagen geen significant grotere botregeneratie. Het team testte vervolgens het bottransplantaatmateriaal in een preklinisch model van tandextractie bij honden om inzicht te krijgen in wondgenezing in de tandholte, waarbij de met het bottransplantaat behandelde extractiekoker verbeterde botvorming vertoonde na 12 weken. Tegen deze tijd, zoals verwacht, het bottransplantaat werd grotendeels vervangen door botweefsel.

Vooruitzichten van synthetische steigers in botweefselengineering

Op deze manier, Hideo Fushimi en collega's optimaliseerden een eenvoudig, maar kritisch engineeringproces om de opgeloste stofconcentratie van een recombinant polypeptide van menselijk type I collageen alfa I-keteneiwit te reguleren met gerichte aminozuursubstituties, afgekort als RCPhC1. Het team implanteerde het construct eerst in een rat-calvariaal botdefectmodel om de optimale technische factoren te begrijpen om het bottransplantaat te vervaardigen. Ze ontwierpen het bottransplantaatmateriaal om de migratie van mesenchymale stamcellen (MSC's) naar het defecte gebied te ondersteunen en zorgden voor een stimulerende micro-omgeving voor osteogene differentiatie. Het bottransplantaatmateriaal alleen vertoonde een ideaal genezingspatroon in de afwezigheid van groeifactoren en stamcellen om bot te regenereren. Het materiaal kan worden gebruikt om weefselspecifieke medische hulpmiddelen en graft-steigers te genereren met een aanzienlijke productieveelzijdigheid in de engineering van botweefsel.

© 2020 Wetenschap X Netwerk