Profilul de compatibilitate biologică privind biomaterialele pentru protocolul de regenerare osoasă (tradus în
rezumat
Numărul de noi biomateriale concepute pentru a repara leziunile osoase mari este în continuă expansiune, cu scopul de a îmbunătăți vindecarea oaselor și de a depăși complicațiile asociate cu transplantul osos. Aici prezentăm o strategie multidisciplinară pentru testarea preclinică a biocompatibilității biomaterialelor pentru repararea oaselor.
Abstract
Introducere
Repararea oaselor este un proces complex care începe cu formarea hematomului, inflamația, formarea calusului și apoi remodelarea 1, 2. Cu toate acestea, potențialul de regenerare osoasă este limitat la dimensiunea fracturii osoase 1, 3. De exemplu, fracturile osoase mari cauzate de traume, cancer sau osteoporoză nu pot fi vindecate și se numesc fracturi osoase neunionale. Aceste leziuni osoase necesită adesea tratamente pentru a promova regenerarea și repararea osoasă fiziologică sănătoasă. În prezent, transplantul osos autogref și alogen este abordarea de alegere 4 cu 2,2 milioane de proceduri de înlocuire osoasă pe an 5. Deși aceste proceduri au o rată de succes ridicată, pot exista complicații, de exemplu, disponibilitatea limitată a osului, infecția, morbiditatea la nivelul donatorului și respingerea 4. Se caută noi alternative pentru ingineria țesutului osos pentru a răspunde acestor provocări.
Proiectarea biomaterialelor pe bază de polimeri naturali sau sintetici, bioceramici sau metale în combinație cu celule și molecule bioactive este în creștere 6. Înțelegerea noastră actuală a vindecării osoase fiziologice și a vindecării în contextul biomaterialelor depinde de diverși factori, cum ar fi proprietățile mecanice și multiplii factori locali și sistemici, inclusiv celulele circulante și locul fracturii 7, 8, 9. Biomaterialele pentru regenerarea osoasă își propun să promoveze osteogenitatea și osteointegrarea 10 și este ideal biocompatibil și biodegradabil poros (promovând migrația nutrienților, oxigenului și celulelor). De asemenea, trebuie să fie suficient de puternici pentru a susține locul fracturii pentru ameliorarea durerii. În plus, sunt necesari factori inflamatori pentru a iniția procesul de vindecare. Cu toate acestea, dacă biomaterialul induce inflamații excesive și reacții alergice, acesta ar putea limita sau inhiba vindecarea osoasă 11, 12. Astfel, este necesară o abordare interdisciplinară pentru a evalua biomaterialele destinate reparării oaselor.
În acest studiu, prezentăm o evaluare preclinică a materialelor reprezentative, 1) Spuma Orthovita Vitoss, care este un substitut de grefă osoasă spongioasă disponibilă comercial, constând din fosfat tricalcic compus din particule de fosfat β tricalcic pur de dimensiuni nano (β- TCP) și tip bovin 1 ( C) colagen (spumă β-TCP/C) și 2) discuri β-TCP. Aici, ilustrăm testul de biocompatibilitate al acestor biomateriale utilizând teste de osteoblaste primare (OB) și osteoclaste (OC), un model in vivo de reparare a oaselor, o evaluare imunologică incluzând proliferarea in vitro a celulelor T și producerea de citokine și imunogenitate și alergenicitate in vivo menționat anterior 13 .
Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.
Protocol
Procedurile au fost efectuate cu șoareci BALB/c urmând toate liniile directoare pentru îngrijirea și utilizarea animalelor de laborator de la Ministerul Austriei pentru Educație, Știință și Cercetare și au fost aprobate de Comitetul de Etică al Ministerului pentru Educație, Știință și Cercetare din Austria.
1. Cultura primară a mouse-ului OB
2. Șoarecii OB-OC co-cultură pentru a obține OC mature
3. modelul de substanță implicit al dimensiunii critice a mouse-ului
4. răspunsuri imune in vitro
5. model intraperitoneal cu flux mare
6. toxicitate subcutanată model subcronic
Abonament necesar. Vă rugăm să recomandați JoVE bibliotecarului dvs.
Rezultate reprezentative
Pentru a evalua β-TCP pentru eficacitatea sa ca biomaterial pentru repararea oaselor, am folosit metode de screening in vitro și in vivo. În primul rând, am măsurat răspunsurile OB pe discurile β-TCP comparativ cu linia de bază înseamnă doar controale. Figura 2 arată viabilitatea OB ca răspuns la discurile β-TCP la 7 și 14 zile de cultură. Viabilitatea celulară măsurată din celulele metabolice active în godeurile de cultură este aceeași pentru OB-urile cu medii de cultură de țesut din plastic, precum și pentru discurile β-TCP care indică faptul că acest biomaterial nu îmbunătățește și nici nu suprima proliferarea. OB.
Pentru a continua evaluarea OB-urilor, am măsurat activitatea ALP ca un marker al diferențierii utilizând atât abordări calitative, cât și cantitative. Figura 2 ilustrează activitatea enzimei ALP în puțurile de cultură după 7 zile de cultură. OB-urile din godeurile cu mediu singur au avut activitate ALP bazală, în timp ce în mineralizarea optimă medie (MM) OB-urile au avut colorare ALP intensă, reflectând un nivel ridicat de diferențiere OB. În schimb, OB-urile placate pe discuri β-TCP diferențiate, cu excepția cazului în care OB-urile au fost incubate în MM. Într-un test cantitativ, concentrația ALP a fost cu 77% mai mare pentru godeurile care conțin MM comparativ cu mediul bazal numai, în timp ce concentrația ALP a fost cu 40% mai mică în celulele crescute pe discurile β-TCP comparativ cu martorii. Deși aceste rezultate demonstrează că celulele crescute pe discuri β-TCP diferențiate inferioare celor în condiții plastice optime cu MM, suficient de distinse pe biomateriale.
O altă caracteristică esențială a OB este capacitatea lor de a induce mineralizarea, care este un pas esențial în vindecarea oaselor. Am colorat celule OB cultivate cu ARS după 14 zile și am constatat că mineralizarea a fost mai mare pentru controalele MM comparativ cu OB-urile cultivate numai în mediu și pe discurile β-TCP din godeurile de cultură (Figura 2). Când am măsurat concentrația ARS, am constatat că controalele MM au fost cu peste 45% mai mari decât grupul β-TCP. Aceste date ilustrează faptul că OB-urile crescute pe plastic în prezența MM mature, diferențiază și mineralizează mai bine decât cele cu mediu unic și pe discurile β-TCP.