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开发三维胶原模型以测试体外磁共振成骨

目前,基于磁刺激的骨再生的细胞和分子机制需要进一步理解。为了评估实验室中的现象,最近通过塑性压缩开发了三维(3-D)天然胶原模型,以产生细胞,致密且机械强度高的胶原结构。为了在研究中产生细胞负荷模型,Zhiyu Yuan及其同事将成骨细胞(MG-63细胞系)和磁性氧化铁纳米颗粒(IONP)整合到胶原凝胶中。使用3-D打印,设计并制造磁性生物反应器以支持静磁场(SMF)下的细胞生长。研究人员利用聚合酶链反应(PCR)确定了SMF对成骨相关基因调控和表达的影响,包括侏儒相关转录因子2(Runx2的),骨连接素(ON)和骨形态发生蛋白2和4(BMP-2和BMP-4)。

现在发表在科学报告中,结果表明SMF,IONP和胶原基质能够刺激成骨细胞的增殖,碱性磷酸酶产生和矿化。通过影响基质 - 细胞相互作用以影响Runx2,ON,BMP-2和BMP-4的表达来实现该过程。胶原模型为逐步形成新型矿化三维骨模型提供了洞察力,并了解了对骨生成的磁刺激。可以使用该模型进行其他研究,以用于组织工程和再生医学。

仅在英国,患有骨折的患者数量对生活质量产生了巨大的经济影响,这可以从国家卫生服务(NHS)的成本中得到证明。在骨损伤期间,生理再生的生物和机械过程在损伤部位用新骨取代受损骨。代谢过程复杂,需要许多因素的相互作用,包括生长和分化因子,如激素,细胞因子和细胞外成分;同时,不充分或中断的因素可导致骨质愈合延迟或不愈合。

在该研究中,作者使用了一种新型多功能仿生三维胶原模型作为体外平台,用于研究磁刺激对成骨的机制。为了产生一系列细胞负载模型,研究人员将内部刺激(氧化铁纳米颗粒)和外部(静磁场,SMF)刺激引入系统。根据先前建立的方案,通过使用塑性压缩制造纳米和微结构来设计仿生材料。为了评估成骨细胞的生物学行为,包括它们的增殖,分化,矿化,基因表达和微观结构分析,科学家们在磁性生物反应器中培养胶原模型长达42天。

在该研究中,使用alamarBlue测定法评估成骨细胞系MG-63的细胞增殖。在第14天,研究人员观察到单独的SMF,单独的IONP和它们组合对细胞增殖的显着差异。采用组织学技术检查胶原支架内的细胞反应,并了解SMF和IONP对细胞增殖的作用。可视化之后是细胞数量的定量分析,结果表明IONP的掺入延长了SMF的作用。

类似地,用胶原支架的碱性磷酸酶(ALP)活性观察细胞分化,有或没有IONP的掺入。如前所述,当IONP和SMF的作用相结合时,与单独使用SMF和单独使用IONP相比,ALP产生得到显着刺激。此后还观察到细胞矿化并在细胞接种的胶原支架中定量。42天后,所有样品用ARS染色染色以指示完全矿化。相反,结合SMF和IONP无法促进矿化。

此后,科学家们进行了研究,以了解细胞接种的胶原蛋白支架在分子水平上对SMF和IONP的反应。为此,使用实时定量聚合酶链反应(RT-qPCR)定量Runx2,ON,BMP-2和BMP-4的表达水平。单独的7天SMF处理对Runx2的表达没有影响,而当SMF与IONP组合时发现表达增加,证明在成骨过程中胶原基质介导的Runx2表达。在第7天,用IONP,SMF和两者处理的样品中的ON表达水平在短时间内高于对照。在BMP-2和BMP-4的表达过程中,在7-14天内观察到类似的结果。

该研究主要表明成骨是一种复杂的过程,由连续激活和表达几种关键基因介导,包括Runx2,ON,BMP-2和BMP-4。通常,Runx2上调与骨基质相关的蛋白质基因的表达,以促进体外和体内骨形成。因此,该研究表明,SMF暴露可通过调节Runx2的早期表达诱导细胞系增殖,从而加速骨生成。当在SMF下掺入IONP时,骨粘连蛋白(ON)基因的表达增加,将胶原相与骨矿物连接以启动正常的骨骼组织矿化。同样,BMP-2和BMP-4在用SMF和IONP联合细胞培养期间,研究仅增加。

通过这种方式,作者开发并测试了一种仿生三维胶原模型,该模型可逐渐矿化,随后在体外形成新的骨模型。该模型与成骨细胞和纳米颗粒结合,具有响应外部磁刺激的能力。通过塑性压缩设计仿生胶原模型以整合MG-63细胞系,并证明与SMF和IONP结合的可重复且一致的结果。细胞 - 基质相互作用成功地上调了与成骨有关的关键基因的表达。作者打算开发3-D模型进一步作为研究体外生物学行为的优越平台,可用于组织工程和再生医学。

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