De cellulaire en moleculaire mechanismen van op magnetische stimulatie gebaseerde botregeneratie vereisen op dit moment meer begrip. Om het fenomeen in het laboratorium te evalueren, een driedimensionaal (3-D) natief collageenmodel is onlangs ontwikkeld via plastische compressie om een ​​cellulair, dichte en mechanisch sterke collageenstructuur. Om celbeladen modellen in de studie te produceren, Zhiyu Yuan en collega's hebben osteoblastcellen (MG-63-cellijn) en magnetische ijzeroxide-nanodeeltjes (IONP's) in de collageengels opgenomen. Met behulp van 3D-printen, een magnetische bioreactor werd ontworpen en gefabriceerd om celgroei onder statische magnetische velden (SMF's) te ondersteunen. Met behulp van polymerasekettingreactie (PCR), de onderzoekers bepaalden de impact van SMF's op de regulatie en expressie van genen gerelateerd aan osteogenese, inclusief runt-gerelateerde transcriptiefactor 2 (Runx2), osteonectine (ON) en botmorfogenetische eiwitten 2 en 4 (BMP-2 en BMP-4).

Nu gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten , de resultaten toonden aan dat SMF's, IONP's en de collageenmatrix waren in staat om de proliferatie te stimuleren, productie van alkalische fosfatase en mineralisatie van osteoblasten. Het proces werd mogelijk gemaakt door matrix-celinteracties te beïnvloeden om de expressie van Runx2 te beïnvloeden. AAN, BMP-2 en BMP-4. Het collageenmodel bood inzicht om geleidelijk een nieuw gemineraliseerd 3D-botmodel te vormen en magnetische stimulatie op osteogenese te begrijpen. Met het model kunnen aanvullende studies worden uitgevoerd voor toepassingen in tissue engineering en regeneratieve geneeskunde.

Alleen al in het VK het aantal patiënten met botbreuken heeft een aanzienlijke economische impact op de kwaliteit van leven, zoals blijkt uit de kosten voor de National Health Services (NHS). Tijdens botletsel, het biologische en mechanische proces van fysiologische regeneratie vervangt het beschadigde bot door nieuw bot op de plaats van het letsel. Het metabolische proces is gecompliceerd en vereist de interactie van vele factoren, waaronder groei- en differentiatiefactoren zoals hormonen, cytokinen en extracellulaire componenten; ondertussen kunnen ontoereikende of onderbroken factoren leiden tot een vertraagde genezing of een verstoorde/niet-vereniging van bot.

In de studie, de auteurs gebruikten een roman, multifunctioneel biomimetisch 3D-collageenmodel voor gebruik als een in vitro platform om mechanismen van magnetische stimulatie op osteogenese te bestuderen. Om een ​​reeks celbeladen modellen te produceren, de onderzoekers introduceerden interne stimuli (ijzeroxide nanodeeltjes) en externe (statische magnetische velden, SMF's) prikkels in het systeem. Het biomimetische materiaal is ontwikkeld via de fabricage van nano- en microstructuren met behulp van plastic compressie, volgens een vooraf vastgesteld protocol. Om het biologische gedrag van osteoblasten te evalueren, inclusief hun verspreiding, differentiatie, mineralisatie, genexpressie en microstructuuranalyse, de wetenschappers kweekten het collageenmodel tot 42 dagen in een magnetische bioreactor.

In de studie, celproliferatie van de osteoblastcellijn MG-63 werd beoordeeld met behulp van de alamarBlue-assay. Op dag 14, de onderzoekers zagen een significant verschil tussen alleen SMF's, IONP's alleen en in hun combinatie op celproliferatie. Histologische technieken werden gebruikt om cellulaire reacties binnen de collageensteigers te onderzoeken en de rol van SMF's en IONP's op celproliferatie te begrijpen. Visualisatie werd gevolgd door kwantitatieve analyse van celaantallen, resultaten gaven aan dat opname van IONP's het effect van SMF's verlengde.

evenzo, celdifferentiatie werd waargenomen met alkalische fosfatase (ALP) -activiteiten voor collageensteigers, met of zonder de opname van IONP's. Zoals eerder, wanneer het effect van IONP's en SMF's werd gecombineerd, werd de ALP-productie significant gestimuleerd in vergelijking met behandeling met alleen SMF's en alleen IONP's. Celmineralisatie werd daarna ook waargenomen en gekwantificeerd in de celgezaaide collageensteiger. Na 42 dagen werden alle monsters gekleurd met ARS-kleuring om volledige mineralisatie aan te geven. In tegenstelling tot, het combineren van SMF's en IONP's waren niet in staat om mineralisatie te bevorderen.

Daarna, de wetenschappers voerden onderzoeken uit om de reacties van celgezaaide collageensteigers op SMF's en IONP's op moleculair niveau te begrijpen. Voor deze, de expressieniveaus van Runx2, AAN, BMP-2 en BMP-4 werden gekwantificeerd met behulp van real-time kwantitatieve polymerasekettingreactie (RT-qPCR). Een 7-daagse behandeling van SMF's alleen had geen effect op de expressie van Runx2, overwegende dat verhoogde expressie werd gevonden wanneer SMF's werden gecombineerd met IONP's, het aantonen van de collageenmatrix gemedieerde Runx2-expressie tijdens osteogenese. Op dag 7 was het niveau van ON-expressie in de met IONP's behandelde monsters, SMF's en beide waren binnen korte tijd hoger dan in de controle. Tijdens de expressie van BMP-2 en BMP-4, vergelijkbare resultaten werden waargenomen over 7-14 dagen.

De studie toonde voornamelijk osteogenese aan als een complex proces dat wordt gemedieerd door opeenvolgende activering en expressie van verschillende sleutelgenen, inclusief Runx2, AAN, BMP-2 en BMP-4. Typisch, Runx2 reguleert de expressie van eiwitgenen die verband houden met de botmatrix om botvorming in vitro en in vivo te bevorderen. Overeenkomstig, de studie toonde aan dat blootstelling aan SMF ertoe kan leiden dat de cellijn prolifereert door de vroege expressie van Runx2 te moduleren, osteogenese te versnellen. Toen IONP's werden opgenomen onder SMF's, de expressie van het osteonectine (ON)-gen nam toe, het koppelen van collageenfasen met botmineraal om normale skeletweefselmineralisatie te initiëren. evenzo, zowel BMP-2 als BMP-4 waren alleen verhoogd in de studie tijdens gecombineerde celkweek met SMF's en IONP's.

Op deze manier, de auteurs ontwikkelden en testten een biomimetisch 3D-collageenmodel dat progressief kon mineraliseren om vervolgens in vitro een nieuw botmodel te vormen. Het model is geïntegreerd met osteoblastcellen en nanodeeltjes die kunnen reageren op externe magnetische stimulaties. Het biomimetische collageenmodel is ontwikkeld via plastic compressie om de MG-63-cellijn te integreren en reproduceerbare en consistente resultaten te demonstreren in combinatie met SMF's en IONP's. De cel-matrix-interacties reguleerden met succes de expressie van sleutelgenen die verband houden met osteogenese. De auteurs zijn van plan het 3D-model verder te ontwikkelen om te dienen als een superieur platform om biologisch gedrag in vitro te onderzoeken met mogelijke toepassingen in weefseltechnologie en regeneratieve geneeskunde.

© 2018 Wetenschap X Netwerk