Efficacia della produzione di tessuto

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13737 (2023) Citare questo articolo

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I sistemi bioreattori sono strumenti molto preziosi per generare innesti ossei viventi in vitro. Lo scopo di questo studio era di confrontare l'efficacia del bioreattore rotante e di perfusione nella produzione di un costrutto osseo vivente. Cellule staminali mesenchimali derivate dal midollo osseo umano (BMDSC) sono state seminate sulle superfici di scaffold a base di idrossiapatite e coltivate per 21 giorni in tre diverse condizioni: (1) coltura 3D statica, (2) coltura 3D in un bioreattore a perfusione e ( 3) coltura 3D dinamica in un bioreattore rotante. La valutazione quantitativa del numero di cellule ha mostrato che la coltivazione nel bioreattore a perfusione ha ridotto significativamente la proliferazione cellulare rispetto al bioreattore rotante e alla coltura statica. Il test di differenziazione osteogenica ha dimostrato che le BMDSC coltivate nel bioreattore rotante producevano una quantità significativamente maggiore di osteopontina rispetto alle cellule coltivate nel bioreattore a perfusione. Inoltre, la spettroscopia Raman ha mostrato che la coltivazione di BMDSC nel bioreattore rotante ha migliorato la mineralizzazione della matrice extracellulare (ECM) caratterizzata dalla sostituzione carbonatata di tipo B dell'idrossiapatite (associata ai gruppi PO43) e da un rapporto minerale/matrice più elevato rispetto all'ECM di cellule coltivate nel sistema di perfusione. Pertanto, si è concluso che il bioreattore rotante era molto più efficace di quello a perfusione nella generazione di costrutto di tessuto osseo in vitro.

Nel corso degli anni, l’ingegneria dei tessuti ossei (BTE) ha acquisito un crescente interesse nelle applicazioni cliniche per il ripristino dei difetti ossei. È stato osservato che il BTE può superare numerosi inconvenienti degli innesti ossei naturali (autotrapianti, allotrapianti e xenotrapianti), come fonti limitate di donatori, morbilità del sito donatore e trasmissione di malattie. L'applicazione di un innesto osseo mediante ingegneria tessutale prevede le seguenti fasi: (i) isolamento ed espansione cellulare, (ii) crescita di cellule sulla superficie dello scaffold, (iii) coltura in vitro di biomateriale seminato di cellule per creare un innesto osseo vivente e (iiii) impianto dell'innesto prodotto nel sito della lesione1,2. Per creare con successo l'innesto osseo vivente in vitro, la questione cruciale è imitare il microambiente in vivo esponendo cellule osteoprogenitrici/cellule staminali mesenchimali a stimoli/fattori adeguati. È noto che il metodo convenzionale di coltura statica di costrutti tridimensionali (3D) non è sufficientemente buono per fornire condizioni adeguate (ad esempio un trasporto sufficiente di nutrienti alle cellule) per ottenere tessuto osseo simile a quello che si verifica in vivo. Pertanto i sistemi di bioreattori possono essere utilizzati per migliorare la robustezza e l'efficienza della creazione di innesti ossei controllando parametri cruciali durante la coltura cellulare e fornendo una distribuzione cellulare omogenea, concentrazioni sufficienti di gas e nutrienti, rimozione dei rifiuti e forze meccaniche3,4. Esistono vari tipi di sistemi bioreattori, ad esempio bioreattori a perfusione, bioreattori rotanti, bioreattori in matracci, che possono fornire condizioni adeguate per la creazione di innesti ossei in vitro.

I bioreattori a perfusione utilizzano un sistema di pompe che perfonde il terreno di coltura in modo continuo, fornendo un adeguato trasporto di massa di nutrienti e gas e stimoli meccanici controllati5. I sistemi di perfusione sono generalmente costituiti da una pompa, un serbatoio del terreno di coltura, un circuito di tubi, recipienti che sostengono gli scaffold e un recipiente di scarico3,4. Il parametro importante in questi sistemi è la portata del mezzo che può indurre sollecitazioni di taglio sulle pareti che influenzano il microambiente delle cellule e quindi supportano il processo di formazione ossea2,4. Diversi studi hanno dimostrato che la coltura cellulare nei bioreattori di perfusione migliora la differenziazione osteogenica delle cellule osteoprogenitrici/cellule staminali mesenchimali rispetto alla coltura statica, aumentando l'espressione di geni correlati all'osteogenesi (ad esempio osteopontina (OPN), fosfatasi alcalina ossea (bALP), osteocalcina (OC), collagene di tipo I (Col I))6,7,8. A loro volta, i bioreattori dinamici (ad esempio bioreattori rotanti, bioreattori in matracci rotanti) sono stati sviluppati principalmente per fornire nutrienti e ossigeno in modo omogeneo e creare un ambiente a basso taglio che svolge un ruolo importante nel migliorare l'osteogenesi attivando le vie di segnalazione della meccanotrasduzione6,9. Il Rotary Cell Culture System (RCCS) sviluppato dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA) simula le condizioni di microgravità relativa, fornendo sia un ambiente a basso taglio che un trasferimento di massa ottimale9. L'RCCS più comune è costituito da una base rotante con controllo della velocità di rotazione e da un recipiente che ruota orizzontalmente. I biomateriali seminati in cellule possono essere mantenuti in caduta libera o fissati su un ago nel recipiente rotante. Inoltre, questo tipo di bioreattore può essere utilizzato anche senza biomateriali per generare aggregati cellulari 3D simili ai tessuti in vivo2. Similmente ai bioreattori a perfusione, alcuni studi hanno dimostrato che il metodo di coltivazione basato sulla rotazione aumenta l'espressione dei geni correlati all'osteogenesi (ad esempio bALP, OC, Col I) e la mineralizzazione della matrice extracellulare (ECM) nelle cellule staminali mesenchimali rispetto alla coltura statica10, 11,12.