هیدروژل های زیست تقلید نانو مهندسی شده برای هدایت استخوان زایی سلول های بنیادی انسانی در ریز محیط سه بعدی
تاریخ انتشار: یکشنبه 31 مرداد 1395
| امتیاز:
توانایی تعدیل تمایز سلول های بنیادی در ریز محیطی سه بعدی برای مهندسی بافت استخوانی در غیاب عوامل دارویی اگزوژن مانند BMP2 به صورت یک چالش باقی مانده است. در این مطالعه، ما هیدروژل نانوکامپوزیت تقلید کننده ماتریکس خارج سلولی را برای القای تمایز استخوان سلول های بنیادی مزانشیمی انسانی(hMSCs) برای بازسازی استخوان و در غیاب هر گونه فاکتور القا کننده استخوانی معرفی کردیم. به طور ویژه، ما ماتریکس مبتنی بر کلاژن کراس لینک شده به صورت نوری را به صورت نانوسیلیکات های دیسکی شکل که کلاسی جدید از نانو مواد دو بعدی هستند تقویت کردند. ما نشان دادیم که هیدروژل های نانومهندسی شده مهاجرت و تکثیر سلول های بنیادی مزانشیمی انسانی کپسوله شده را بدون وجود نشانه ای از آپوپتوز سلولی یا پاسخ های التهابی سیتوکینی حمایت می کند. اضافه کردن نانوسیلیکات ها به طور قابل توجهی تمایز استخوانی سلول های بنیادی مزانشیمی کپسوله شده تقویت می کند که با افزایش فعالیت آلکالین فسفاتازی و رسوب ماتریکس زیست معدنی شده در مقایسه با GelMAی بدون نانوسیلیکات قابل مشاهده است. هم چنین ما نشان دادیم که میکروژل های نانومهندسی شده ریز ساخته شده می تواند برای الگودهی و کنترل رفتار سلولی استفاده شوند. علاوه براین، هم چنین ما نشان دادیم که هیدروژل نانو مهندسی شده زیست سازگاری بالایی دارد که بوسیله مطالعات آزمایشگاهی با استفاده از مدل رتی از نظر ایمنی سازگار مشخص شد. به طور اختصاصی تر، هیدروژل ها پاسخ ایمنی متمرکز شده حداقلی را نشان دادند که نشان دهنده توانایی آن ها برای کاربرد در مهندسی بافت بود. به طور کلی، ما توانایی هیدروژل های نانومهندسی شده بارگیری شده با نانوسیلیکات های دو بعدی را برای تمایز استخوانی سلول های بنیادی در شرایط آزمایشگاهی و در غیاب فاکتورهای رشدی مانند BMP-2 نشان دادیم. مطالعات in vivo ما زیست سازگاری بالای نانوکمپوزیت ها را نشان داد و پتانسیل آن ها برای بازسازی استخوانی بدون نیاز به فاکتورهای رشد را نیز نشان داد.
J Mater Chem B Mater Biol Med. 2016 May 28;4(20):3544-3554. Epub 2016 Feb 4.
Nanoengineered biomimetic hydrogels for guiding human stem cell osteogenesis in three dimensional microenvironments.
Paul A1, Manoharan V2, Krafft D3, Assmann A4, Uquillas JA5, Shin SR6, Hasan A7, Hussain MA8, Memic A9, Gaharwar AK10, Khademhosseini A11.
Abstract
The ability to modulate stem cell differentiation in a three dimensional (3D) microenvironment for bone tissue engineering in absence of exogenous pharmaceutical agents such as bone morphogenic protein (BMP-2) remains a challenge. In this study, we introduce extracellular matrix (ECM)-mimicking nanocomposite hydrogels to induce osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSCs) for bone regeneration in absence of any osteoinducting factors. In particular, we have reinforced photocrosslinkable collagen-based matrix (gelatin methacryloyl, GelMA) used disk-shaped nanosilicates (nSi), a new class of two-dimensional (2D) nanomaterials. We show that nanoengineered hydrogels supported migration and proliferation of encapsulated hMSCs, with no signs of cell apoptosis or inflammatory cytokine responses. The addition of nSi significantly enhances osteogenic differentiation of encapsulated hMSCs as evident by the increase in alkaline phosphates (ALP) activity and deposition of biomineralized matrix compared to GelMA without nSi. We also show that microfabricated nanoengineered microgels can be used to pattern and control cellular behaviour. Furthermore, we also show that nanoengineered hydrogel have high biocompatibility as determined by in vivo experiments using immunocompetent rat model. Specifically, the hydrogels showed minimum localized immune responses, indicating it ability for tissue engineering applications. Overall, we showed the ability of nanoengineered hydrogels loaded with 2D nanosilicates for osteogenic differentiation of stem cells in vitro, in absence of any growth factors such as BMP-2. Our in vivo studies show high biocompatibility of nanocomposites and show the potential for growth factor free bone regeneration.
PMID: 27525102