Kombinatorische screening-Ansatz öffnet sich der Pfad zu einer besseren Qualität des Gelenkknorpels

Als gummiartigen elastischen Gewebe mit stark unterschiedlicher Eigenschaften, Knorpel, schmiert Gelenke, um Sie gesund und in Bewegung, und bildet viele unserer internen Strukturen wie die Bandscheiben in der Wirbelsäule, die flexible verbindungen zwischen rippen, und die voice-box, als auch mit externen Geweben wie Nase und Ohren.

Insbesondere in den Gelenken, die Abnutzung von Knorpel im Laufe der Zeit kann schließlich dazu führen, die schmerzhafte Knochen-auf-Knochen-Kontakte, und die Knochen schädigen und zu entzündlichen Reaktionen, die Pest in Patienten mit osteoarthritis, der häufigsten form von arthritis. Allein In den USA 32,5 Millionen Erwachsene sind von Arthrose betroffen, und so weit, es gibt keine Strategie, die ermöglicht dauerhafte Reparatur oder Ersatz der degenerierenden Gelenk (Gelenk -) Knorpels.

Um dieses problem zu überwinden, werden die Forscher durch den Einsatz von tissue-engineering-Strategien zu generieren Knorpel aus Stammzellen außerhalb des menschlichen Körpers. Doch nach Eben Alsberg, Ph. D., an der University of Illinois in Chicago,“Es kann schwierig sein, zu verhindern, dass fibrocartilage und hypertrophen Knorpel bilden, wenn durch den Einsatz von tissue-engineering-Strategien.“ Nach der implantation in die Gelenke, entwickelt Knorpel kann instabil werden und dysfunktional, und die Methoden, die bestimmen können komplexere Bedingungen für die Produktion von qualitativ hochwertigen Knorpel ex vivo und deren Wartung in vivo bisher beschränkt waren.

Nun, eine kooperativen Forschungs-team unter der Leitung von Ali Khademhosseini, Ph. D., Direktor und CEO der Terasaki-Institut entwickelt hat, ein multi-Komponenten biomaterial-basierte screening-Ansatz, die material-Kompositionen, und mechanische und molekulare Reize aktivieren das menschliche Stammzellen zur Differenzierung in Zellen in der Lage erzeugen höhere Qualität der Gelenkknorpel. Die Studie ist veröffentlicht in der Wissenschaft Fortschritte.

„Wir haben einen ganzheitlichen Ansatz für Knorpel-engineering mit dieser Mehrkomponenten-in-vitro-Ansatz durch das screening mit hohem Durchsatz durch viele Kombinationen von material, biomechanische und molekulare Parameter, die in dieser Komplexität hatte das nicht vorher schon getan“, sagte Khademhosseini. „Dies erlaubt uns zu definieren, Materialeigenschaften und Zusammensetzungen, und bestimmte mechanische, biochemische und pharmakologische Beiträge, die helfen, menschliche mesenchymale Stammzellen (hMSCs) unten eine Differenzierung Weg der artikuläre Knorpel-produzierenden Chondrozyten in-vitro, und besser behalten Ihre Funktionalität bei der übertragung in Mäuse.“

Chondrozyten, die Differenzierung von hMSCs, form Knorpel durch Sekretion von Kollagen und anderen Biomolekülen, die in Ihren extrazellulären Umgebungen, in denen Sie bilden eine hydratisierte elastischen matrix. Allerdings, so differenzierte Knorpel behält nur relativ geringen Anzahl von normal funktionierenden Chondrozyten und fehlen unterstützende Blutgefäße, es kann effizient reparieren und regenerieren sich.

In der Studie, das team zusammengestellt, eine Kompression Bioreaktor von 3-D-gedruckten Bauteile mit einer Reihe von 288 einzelnen hydrogel-basierte Biomaterialien für das screening mehrerer Parameter vorgestellt, die in der nativen Entwicklung von Knorpel-mikroumgebung. Diese Hydrogele wurden aus zwei verschiedenen Biomaterialien, oxidiert methacrylated Alginat (OMA) und Polyethylenglykol (PEG). Die zwei-hydrogel-Komponenten können vernetzt werden, um voneinander zu erstellen, einen biologisch abbaubaren und biokompatiblen dicht miteinander verbundenen elastischen Netzwerk. In der biomaterial -, die Forscher eingebettete hMSCs als auch in Zell-bindenden Liganden imitieren die normalen extrazellulären Umfeld der Entwicklung von Knorpel und Wachstumsfaktoren begünstigt die Knorpel-Zell-Differenzierung. Die hydrogel-Biomaterialien mit den gekapselten hMSCs konnte mechanisch manipuliert, die zwischen festen und beweglichen Platten, wobei die bewegliche Platte ist zyklisch geschoben, von unten mit dem fein kalibrierten Kräfte, wodurch das biomaterial Scaffolds werden komprimiert und dann wieder entspannt jeder Zeit.

Unterstützen können die hMSCs mit Knorpel-spezifischen Zell-Kultur-medium und setzen Sie diese zusätzliche biochemische Hinweise, während Sie differenzieren sich, das Gerät wurde getrennt in mehrere Kammern, die jeweils verbunden mit einem mikrofluidischen system der Unterstützung. Da alle relevanten Biomaterialien, mechanische und Chemische Parameter können individuell variiert zwischen Biomaterialien des Arrays, die Forscher studieren konnte mehrere Kombinationen von cues gleichzeitig.

„Unser Ansatz lokalisiert die biomaterial-Kompositionen, die einen sweet spot von hydrogel physikalische Eigenschaften, nur, die richtigen Mengen von extrazellulärer matrix und kritische Wachstumsfaktoren und mechanische stimulation, dass hMSCs in dieser Komplexität zu entwickeln, in hohem Grade funktionale artikuläre Chondrozyten in die „engineered Systems“, sagte co-Erstautor Junmin Lee, Ph. D., ein postdoctoral fellow in Khademhosseini der Gruppe.

Alsberg fügte hinzu, dass das team Gerät-driven Biomaterialien Strategie „identifiziert cues in der zellulären mikroumgebung könnte, vorzugsweise Antrieb entwickelt, Gewebe-Konstrukte zu einem bevorzugten HYALINER Knorpel-Phänotyp.“ Chondrozyten, gereift in der Biomaterialien sezerniert erhebliche Mengen an extrazellulären matrix-Moleküle, aus denen die natürlichen Gelenkknorpels.

Lee und die anderen co-erste Autor Oju Jeon, Ph. D., ein Forschungs-professor arbeitet mit Alsberg, und weitere team-Mitglieder, auch untersucht die molekularen Signalwege, die Chondrozyten normalerweise verwenden, um transduce mechanische Signale aus Ihrer extrazellulären Umgebung bei der Kontrolle Ihrer gen-expression. „Wir haben festgestellt, dass suboptimale biomaterial-Eigenschaften, erhöht die Aktivität einer mechanotransducing protein namens YAP und seine nachgeschalteten Effekte verursacht wurden Chondrozyten auf die Verabschiedung einer weniger funktionalen Zustand sehr stark ähneln, die man in hypertrophen Knorpel bei Patienten,“ sagte Jeon. „Im Gegensatz dazu die Hemmung YAP mit einem bestimmten Medikament begünstigt die Bildung von funktionalen artikuläre Chondrozyten in unser system.“

Die YAP-inhibitor als auch ein inhibitor des WNT-ein weiteres protein beteiligt in mechanotransduction, wurden auch gefunden, die das team in eine Suche nach Drogen, wäre für die Bildung von gesunden artikulären Knorpel in Ihrem system.

Um zu untersuchen, ob Ihr Gesamtkonzept konnte der Erzeugung von Chondrozyten, wäre auch mehr Wirksamkeit in vivo, Sie skaliert bis ein erfolgreicher Zustand, das eine Folge von screening-Verfahren aus einer hydrogel-1 mm im Durchmesser, um eine, gemessen 8 mm im Durchmesser. „Wenn wir aktiv gehemmt YAP oder das mechanische signal transducer WNT während der 21 Tage der Chondrozyten-Differenzierung in vitro, implantiert der engineered Gewebe unter der Haut von Mäusen und Analysierte die Implantate wieder nach weiteren 21 Tagen beobachteten wir höhere Qualität der Chondrozyten mit deutlich weniger Hypertrophie im Vergleich zu den Kontrollen, die nicht behandelt wurden mit den Inhibitoren vor der implantation“, sagt Jeon.