La formazione di tessuti Bone sta all'incrocio di scienza dei materiali, biologia cellulare e biomeccanica, mirando a riparare o sostituire le ossa danneggiate causate da trauma, malattia o degenerazione legata all'età. Una sfida centrale in questo campo sta dirigendo le cellule staminali per diventare osteoblasti - le cellule specializzate che formano nuovi segnali ossei.

Il ruolo di Stimuli meccanici nella rigenerazione di Bone

Il Bone è un tessuto dinamico che si adatta costantemente al suo ambiente meccanico, un principio noto come legge di Wolff. Il carico meccanico, sia dal camminare quotidiano, la formazione del peso, o anche la microgravità nello spazio, influenza direttamente il rimodellamento osseo.

Stem Cell Sources per Bone Ingegneria del tessuto

Le cellule staminali principali sono utilizzate nell'ingegneria ossea, ognuna con profili meccano-assorbenti distinti. Le cellule staminali mesenchimali (MSC) derivate dal midollo osseo o dal tessuto adiposo sono le più comuni a causa della loro multipotenza e facilità di isolamento.

Tipi di Stimuli meccanici e loro effetti

Gli stimoli meccanici possono essere classificati in tre modalità principali: compressione, tensione trasile e stress del taglio fluido. Ciascuno esercita effetti distinti sul comportamento delle cellule staminali e combinandoli spesso produce risultati sinergici.

Compressione

Le forze di compressione che imitano la funzione di carico dell'osso, in particolare nelle regioni di peso-sorprendenti come il femore e le vertebre. In vitro, il carico di compressione ciclica di MSCs incapsulato in idrogel impalcature aumenta i geni osteogeni come RUNX2 e Osterix. La compressione stimola anche il rilascio di fattori solubili come la prostaglandina E2, che può agire

Tensione

Tensione di tensione (forza) è sperimentata dall'osso durante l'attaccamento muscolare e durante i movimenti di flessione dove un lato dell'osso sperimenta la tensione. Questo stimolo è particolarmente efficace per orienting cellule e fibre di collagene lungo l'asse di tensione, migliorando le proprietà meccaniche anisotropiche dell'osso ingegnerizzato.

Stress di taglio

Lo stress da taglio fluido (FSS) deriva dal flusso di fluido interstiziale attraverso la rete lacunare-canalicolare dell'osso, generato durante il carico meccanico. In bioreattori, FSS può essere applicato tramite perfusione di mezzo di cultura attraverso impalcature porose. Lo stress da taglio è un potente stimolo osteogenico, in gran parte perché attiva i canali iongenetici mechanosensitive (1)

Percorsi di trasferimento di mechano

La mechanotraduzione è il processo attraverso il quale le cellule convertono le forze fisiche in segnali biochimici. Diversi percorsi interconnessi mediano la differenziazione delle cellule staminali in risposta agli stimoli meccanici.

Segnale di segnale Wnt/β-catenin

Il carico meccanico stabilizza la β-catenina, permettendo la sua traslocazione al nucleo in cui si associa con i fattori di trascrizione TCF/LEF per guidare l'espressione genica osteogenica. La compressione ciclica è stata dimostrata per upregulare Wnt3a e LRP5, un sintetico di carico co-recettore per i leganti Wnt.

MAPK/ERK Segnale

La chinasi proteica attivata dal mitogeno (MAPK) è attivata rapidamente dalle forze meccaniche. Lo stress e la tensione della cesella stimolano l'integrina clustering e la fosforilazione della adesione focale (FAK), che a sua volta attiva ERK. ERK fosforilatos runx2, aumentando la sua attività di carico transcriptional.

Rho/ROCK Segnaletica

RhoA e il suo effetto ROCK regolano l'attuaina dinamica del citoscheletro e la contrattilità cellulare. Gli stimoli meccanici attivano il RhoA, portando alla formazione delle fibre di stress e ai cambiamenti nella forma cellulare. Questi cambiamenti citoscheletrici influenzano la localizzazione dei co-attivatori trascrizionali come YAP/TAZ.

Segnale del calcio e Cilia primaria

Gli stimoli meccanici possono aprire i canali ioni di calcio-permeabili (ad esempio, TRPV4, Piezo1), che portano a transients di calcio intracellulari. Queste punte di calcio attivano la calmadulina e le chinasi a valle che migliorano la trascrizione osteogenica. Cilia primaria—organille a microtubule reattive al flusso fluido—agiscono come i sensori mechanoidi piegando sotto forze primarie.

Bioreattori e Scaffold Design per il Condizionamento Meccanico

Traslating principi di stimolazione meccanica in ingegneria dei tessuti pratica richiede bioreattori in grado di fornire forze controllate e riproducibili alle impalcature a celle.

  • Bioreattori di compressione:[] Utilizzare un pistone o un piastrino per applicare la compressione ciclica o statica. I design moderni incorporano le celle di carico per controllare con precisione la magnitudine e la frequenza della forza, consentendo l'accuratezza di millinewton.
  • Bioreattori per la diffusione:[] Circolare la cultura media attraverso i pori ponteggi, generando stress per la cesoia fluida, migliorando anche il trasporto di massa, critico per i più grandi costrutti (spesso 5 mm).
  • Bioreattori di trazione: Allungare le impalcature in modo uniassiale o biassiale, meno comuni per l'osso ma sono utilizzate nell'ingegneria del tendine e del legamento.
  • Bioreattori multimodali:[ Combinare la compressione e la perfusione per imitare più da vicino l'ambiente meccanico complesso dell'osso. Tali sistemi hanno mostrato aumenti sinergici del volume osseo e del modulo di compressione.

Le forze meccaniche vengono trasmesse alle cellule tramite il materiale esagonale o il materiale impalcante. Le impalcature ideali per la stimolazione meccanica sono porose (per consentire il flusso fluido), biocompatibili e hanno proprietà meccaniche che corrispondono all'osso nativo (modulo compositivo 1-20 GPa).

In Vitro vs. In Vivo Applicazioni

In vitro, le forze meccaniche disinvolte sono state studiate in modo approfondito, ma traducibili in questi paradigmi in ambienti in vivo o clinici rimane impegnativo. Le impalcature precondizionarie in un bioreattore prima dell'impianto possono creare un costrutto più maturo, meccanicamente robusto, esplorando il modello di difetto tibiale delle pecore, i ricercatori MSCs hanno seminato su ponteggi di collagene-i e disina e precaricati.

Implicazioni per l'ingegneria del tessuto di Bone

Gli stimoli meccanici non sono solo un fattore supplementare ma un regolatore primario della differenziazione delle cellule staminali nell'ingegneria del tessuto osseo. Integrando le richieste ottimizzate di carico meccanico nel disegno del ponteggio e nella cultura del bioreattore, i ricercatori hanno raggiunto significativi miglioramenti nella formazione ossea, fino a 5 volte aumenta il volume osseo e a 2 volte migliora la resistenza meccanica rispetto alle culture statiche.

Le direzioni e le sfide future

Anche la formazione di osso-strumento di tipo osseo è difficile, poiché i parametri meccanici di analisi di osso-strumento di tipo osseo sono di tipo osseo, non possono essere ottimali per iPSC su un collagene idrogelo.

In conclusione, gli stimoli meccanici sono essenziali per la differenziazione delle cellule staminali nell'ingegneria del tessuto osseo.Riproducendo le forze naturali che le ossa sperimentano, i ricercatori possono migliorare la formazione di osso funzionale, meccanicamente competente.