Allograft bone and osteogenic scaffolds seeded with human adipose stem cells in bone tissue engineering. In vitro study

Abstract

Siirreluun ja muiden luunkorvikkeiden käyttö ortopedisessä kirurgiassa on lisääntynyt huomattavasti viimeisten vuosien aikana. Siirreluun käyttöä kuitenkin hankaloittaa riski tarttuvien tautien siirtymisestä kudoksen luovuttajasta siirteen vastaanottajaan ja lisäksi riski vastaanottajan hyljintäreaktiosta luusiirteelle. Näitä riskejä voidaan vähentää parantamalla siirreluun sterilointimenetelmiä tai kehittämällä uudenlaisia luunkorvikkeita siirreluun tilalle.

Kudosteknologiset keinot tarjoavat mahdollisuuden kehittää täysin uudenlaisia luunkorvikkeita. Biomateriaalialan tutkimus on keskittymässä kudosteknologisiin sovelluksiin sopiviin tukirakenteisiin, joiden tarkoituksena on edesauttaa elimistön omaa kykyä korjata kudoksia. Bioaktiiviset lasit yhdessä bioaktiivisesta keraamista ja biohajoavasta polymeeristä koostuvan yhdistelmämateriaalien kanssa ovat lupaavia materiaaleja toimimaan esiluusolujen kuljettimina elimistöön, sillä niiden on todettu tukevan uuden luun muodostumista. Aikuisten kantasoluihin luokiteltavat monikykyiset rasvakudoksen kantasolut voivat erilaistua luusolujen suuntaan, kun niitä käsitellään sopivilla kasvutekijöillä. Nämä solut ovatkin lupaava solulähde luun kudosteknologisiin sovelluksiin.

Väitöskirjatutkimuksensa ensimmäisessä osassa filosofian maisteri Suvi Haimi tutki kemiallisen sterilointimenetelmän vaikutuksia siirreluun mekaanisiin ominaisuuksiin. Toisessa osiossa tutkittiin uusien bioaktiivinen lasi- ja polylaktidi/biokeraamitukirakenteiden vaikutuksia rasvakudoksen kantasolujen lisääntymiseen ja erilaistumiseen luusolujen suuntaan soluviljelyolosuhteissa. Tarkoituksena oli löytää uusia tehokkaita materiaaliyhdistelmiä luun kudosteknologisiin sovelluksiin. Väitöskirjatyön aiheet ovat ajankohtaisia ja tärkeitä, koska väestön ikääntyessä ortopedisia toimenpiteitä tarvitsevien ihmisten lukumäärä kasvaa.

Haimin tutkimuksessa todettiin että, siirreluun kemiallinen sterilointi ei vaikuttanut haitallisesti luun mekaanisiin ominaisuuksiin, jolloin tutkittua prosessointimenetelmää voidaan pitää potentiaalisena sterilointimenetelmänä siirreluulle. Tutkimuksen toisessa osassa todettiin bioaktiivisen lasin pintakäsittelyllä ja koostumuksella olevan merkittävä vaikutus rasvakudoksen kantasolujen erilaistumiseen luusolujen suuntaan. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että rasvakudoksen kantasoluja yhdistettynä muokkaamattomaan bioaktiiviseen lasi-tukirakenteeseen tai polylaktidi/biokeraamitukirakenteeseen voitaisiin soveltaa kliiniseen käyttöön, kun materiaalilta vaaditaan luunmuodostusta tukevia ominaisuuksia.

The use of bone substitutes in orthopedic surgery has increased tremendously over the last few years. Allograft bone is used to replace bone lost due to tumor removal or injury and for reconstruction of large skeletal defects, whereas autograft bone is only suitable for small defects. There are inherent problems with allograft tissues, however, such as the risk of disease transmission and immunologic incompatibility. Strategies to reduce these risks include improving allograft sterilization methods and developing bone tissue substitutes were evaluated in the presented studies.

Tissue engineering offers a potential avenue to overcome the limitations related to auto- and allograft tissues. To enhance the body s own repair system, i.e., tissue regeneration, biomaterial research focuses primarily on developing scaffolds for tissue engineering applications. Bioactive glass and composites of bioactive ceramics and biodegradable polymers, such as polylactides (PLA), are promising delivery vehicles for osteoprogenitor cells because they induce new bone formation in vivo. Among adult stem cells, multipotent adipose stem cells (ASCs) can differentiate into osteoblastic cells and other mesenchymal lineages in vitro when treated with appropriate factors, and are therefore a promising cell source for bone tissue engineering applications.

This work comprises two parts. First, peracetic acid-ethanol sterilization (PES) with a preceding chemical cleansing step and subsequent freeze-drying step was studied as a potential allograft processing method. Second, in vitro proliferation and osteogenic differentiation studies of different types of bioactive glass and PLA/bioceramic scaffolds seeded with ASCs were evaluated as enhanced constructs for bone tissue engineering applications.

The different processing methods combined with PES had only minor effects on the biomechanical properties of cortical allograft bone, suggesting that this processing method is suitable for allograft bone sterilization. Evaluation of bioactive glass scaffolds indicated that additional surface treatment with calcium phosphate or zinc inhibited the dissolution kinetics of the bioactive glass scaffolds. Surface treatment with calcium phosphate delayed early osteogenic differentiation of ASCs, whereas treatment with zinc stimulated proliferation and osteogenic differentiation of ASCs when used with a faster degrading composition of bioactive glass. PLA/â-tricalcium phosphate (â-TCP) composite scaffolds significantly enhanced ASC proliferation and osteogenic differentiation compared to PLA alone or composite forms of PLA/bioactive glass scaffolds.

In conclusion, ASCs combined with a controlled composition of bioactive glass scaffolds or PLA/â-TCP composite scaffolds are potentially useful for clinical applications regarding scaffolds with both osteoconductive and osteostimulative properties. Further studies utilizing in vivo models are needed, as well as in vivo confirmation of the suitability of the allograft bone processing and sterilization method.