In vitro studies of composite biomaterials and human adipose stem cells in bone and tendon tissue engineering applications
Year: 2020
Type: dissertation
Abstract: Tuki- ja liikuntaelinsairaudet sairauden tai loukkaantumisen johdosta ovat teollistuneissa maissa väestön ikääntymiseen ja ylipainoisuuteen liittyen merkittävä ja kasvava kansantaloudellinen rasite. Kudosteknologia tarjoaa kasvaviin tuki- ja liikuntaelinsovellusten tarpeisiin käyttökelpoisia ratkaisuja yhdistäen kantasoluja, biomateriaaleja sekä solujen kasvua ja erilaistumista edistäviä tekijöitä korjaamaan tai korvaamaan vaurioituneita kudoksia. Aikuisen kantasolut, kuten monikykyiset mesenkymaaliset rasvakudoksen kantasolut, ovat lupaavia kudosteknologisiin sovelluksiin perustuen niiden hyvään saatavuuteen, saantoon ja erilaistumiskykyyn useiksi solutyypeiksi, kuten rasva-, luu-, jänne-, rusto- ja lihassoluiksi tietyissä olosuhteissa. Suuria pään ja kallon alueen luupuutoksia on jo hoidettu yhdistäen rasvakudoksen kantasolut biomateriaalin ja kasvutekijöiden kanssa. Kudostyyppikohtainen toiminnallinen biomateriaalitukirakenne eli skaffoldi tukee fyysisesti ja ohjaa kantasolujen kasvua, kehitystä ja erilaistumista yhdessä kasvatusliuoksen tiettyjen liukoisten tekijöiden kemiallisen stimulaation kanssa. Komposiittibiomateriaaleista valmistettujen skaffoldien avulla voidaan yhdistää eri komponenttien hyödylliset ominaisuudet. Kolmiulotteiset (3D) skaffoldit tarjoavat erilaistuville kantasoluille luonnollista jäljittelevän kasvuympäristön. \n \nTämän väitöstutkimuksen tavoitteena oli kehittää uusia in vitro tuki- ja liikuntaelinsovelluksia yhdistämällä rasvakudoksen kantasolut soveltuvien biomateriaalien ja liukoisten tekijöiden kanssa luu- ja jännekudosteknologisiin sovelluksiin sekä verisuonittuneen luun kudosteknologisten sovellusten kehittämiseen. Ensimmäisessä osatyössä kehitettiin uusi tehokas solujen jänneerilaistuskasvatusliuos eli jännemedium rasvakudoksen kantasolujen jänneerilaistumista tukemaan sekä edistämään jännekudostyyppisen soluväliaineen muodostumista mekaanisilta ominaisuuksiltaan soveltuvien 3D punottujen kuitutukirakenteiden eli kuituskaffoldien avulla. Toisessa osatyössä rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistuminen saatiin aikaan 3D hydrogeeleissä bioaktiivisesta lasista valmistetun ekstraktipohjaisen luuerilaistusmediumin sekä luuerilaistumista tukevien mekaanisten ominaisuuksien avulla. Kolmannessa osatyössä tutkittiin luuerilaistumisen lisäksi verisuoniverkoston muodostumista rasvakudoksen kantasolujen ja ihmisen napalaskimon endoteelisolujen yhteisviljelyn avulla 3D komposiittihydrogeelikasvatuksessa endoteelimediumpohjaisessa bioaktiivisesta lasista valmistetussa ekstraktimediumissa luuerilaistustekijöiden kanssa. Lisäksi työssä tutkittiin rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistumisen tehostamista luuviljelymediumilla tapahtuvalla esikasvatuksella. \n \nKehitetty optimoitu jännemedium, joka sisälsi kasvu- ja erilaistumistekijä 5:tä ja L-askorbiinihappoa, edisti merkittävästi jännekudostyyppisen soluväliaineen muodostumista punotun 3D poly(96L/4D)laktidi (PLA 96/4)-kopolymeeri kuituskaffoldin kanssa verrattuna erilaisiin testattuihin mediumeihin tai erityyppiseen 3D tukirakenteeseen. Tehokkaaseen ja nopeaan rasvakudoksen kantasolujen jännekudostyyppisen soluväliaineen muodostumiseen tarvittiin sekä optimoidun jännemediumin kemiallinen stimulaatio että punottu 3D PLA 96/4- kuiturakenne. Bioaktiivisesta lasista valmistettu ekstraktipohjainen luumedium sai aikaan tehokkaan rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistumisen ja mineralisaation ilman lisättyjä kasvutekijöitä 3D gellaanikumi (GG)- ja tyypin I kollageeni (COL)- hydrogeeliskaffoldeissa, joita verrattiin mahdollisimman vähän invasiivisen luukudosteknologisen sovelluksen kehittämiseen. Lisäksi GG:n ristisilloittaminen ionipitoisen bioaktiivisesta lasista valmistetun ekstraktin avulla lisäsi merkittävästi mineralisaatiota jopa kontrolliolosuhteessa luumediumissa. COL hydrogeelissä merkittävästi korkeampi geeniekspressio ja voimakas osteokalsiinituotanto vahvistivat tehokkaan rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistumisen in vitro 3D hydrogeelikasvatuksessa fysiologisia olosuhteita mallintavissa olosuhteissa. 3D GG-COL -komposiittihydrogeelikasvatuksessa rasvakudoksen kantasolujen ja ihmisen napalaskimon endoteelisolujen yhteisviljelyssä havaittiin sekä luu- että endoteelimarkkereiden geeniekspressiota vertailtavina olleissa endoteelimediumpohjaisessa bioaktiivisesta lasista valmistetussa ekstraktimediumissa luuerilaistustekijöiden kanssa (BaG EM-OM) ja endoteelimediumissa (EGM-2). Voimakas hydroksiapatiittimineralisaatio ja osteokalsiinituotanto olivat havaittavaissa ainoastaan BaG EM-OM-olosuhteessa, kun taas vahva myöhäisen endoteelimarkkerin CD31 tuotanto, yhteisviljeltyjen levittäytyneiden solujen muodostamia putkirakenteita sekä varhaisia verisuoniverkostorakenteita oli nähtävissä vain EGM-2 -mediumolosuhteessa. Tulosten perusteella luuerilaistuminen ja verisuonituksen muodostuminen olivat toisensa poissulkevia prosesseja näissä kasvatusolosuhteissa yhteisviljelmässä 3D GG-COL -komposiittihydrogeeleissä. \n \nYhteenvetona voidaan todeta, että nämä uudet in vitro 3D kasvatusmenetelmät ovat lupaavia uusien merkittävien regeneratiivisen lääketieteen tuki- ja liikuntaelinsovelluksien kehittämistä varten.
Author: Kaisa Vuornos
Language: English
Subfield: Biomedical Engineering
Field: Engineering
Domain: Physical Sciences
Open Access status: green
OpenAlex ID: W3082233145