Effects of Biochemical and Mechanical Signals on Osteogenic Differentiation of Adipose Stem Cells in Vitro

Abstract

Aikuisen rasvakudoksesta saatavien kantasolujen erilaistaminen luusolujen suuntaan soluviljelyssä käyttäen biokemiallisia ja mekaanisia signaaleja

Erilaiset luukudoksen vauriot vaikuttavat miljoonien ihmisten elämänlaatuun maailmanlaajuisesti. Tämänhetkiset luukudoksen korjaustekniikat hyödyntävät enimmäkseen kudossiirteitä, joiden käyttöön liittyy kuitenkin ongelmia varsinkin suurten luukudoksen vaurioiden korjaamisessa. Yhdistämällä biomateriaaleja, kantasoluja ja kasvutekijöitä kudosteknologiset menetelmät mahdollistavat uudenlaisten luunkorvikkeiden kehittämisen, mikä voisi tulevaisuudessa vastata alati kasvavaan tarpeeseen luusiirteille.

Erityisesti rasvakudoksesta on muodostunut yksi lupaavimmista aikuisen kantasolulähteistä, sillä sen eristäminen käy helposti ja kivuttomasti. Monikykyisinä rasvakudoksen kantasolut kykenevät erilaistumaan useiden eri solutyyppien kuten luusolujen suuntaan. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kehittää edelleen kudosteknologisia menetelmiä kasvojen ja kallon alueen luuvaurioiden korjausta varten sekä tehostaa rasvakudoksen kantasolujen erilaistumista luusolujen suuntaan. Tutkimuksessa kehitettiin nykyistä tehokkaampi kasvatusliuos eli medium rasvakudoksen kantasolujen erilaistamiseksi luusolujen suuntaan. Kliiniseen suuntaan tutkimusta vietiin käyttämällä testauksessa ihmisen seerumia sisältävää ja seerumitonta soluviljelymediumia perinteisesti soluviljelyssä käytetyn naudanseerumi -pohjaisen viljelymediumin lisäksi. Lisäksi optimoidun luuerilaistusmediumin tehoa verrattiin kliinisessäkin käytössä oleviin kasvutekijöihin soluviljelymallissa, jossa käytettiin kahta erilaista kolmiulotteista biomateriaalirakennetta.

Biokemiallisten menetelmien lisäksi tutkittiin mekaanista kuormitusta rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistamisessa. Mekaanista kuormitusta tutkittaessa havaittiin korkeataajuuksisen vibraatiostimulaation lisäävän rasvakudoksen kantasolujen erilaistumista luusolujen suuntaan, mikäli soluja viljeltiin luuerilaistusmediumissa. Vibraatiostimulaatio ei kuitenkaan erilaistanut perusviljelymediumissa kasvatettuja rasvakudoksen kantasoluja, vaan solut tarvitsivat biokemiallisen sysäyksen luusolujen suuntaan tullakseen sensitiiviseksi mekaaniselle stimulaatiolle.

Johtopäätöksenä voidaan todeta, että viljelymediumiin lisätyt kasvutekijät eivät edistäneet rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistumista. Sen sijaan rasvakudoksen kantasoluja voidaan erilaistaa tehokkaasti luusolujen suuntaan optimoidulla luuerilaistusmediumilla, varsinkin yhdessä biomateriaalirakenteiden tai vibraatiostimulaation kanssa.

Bone defects due to disease or trauma affect millions of people worldwide. In recent years, bone tissue engineering, combining biomaterials, cells and growth factors, has emerged as a promising therapeutic approach to treat large bone defects. Multipotent mesenchymal stem cells isolated from adipose tissue are an attractive option for bone tissue engineering application in comparison with, for example, bone marrow-derived stem cells (BMSCs). Human adipose stem cells (hASCs) are readily available in substantial amounts and can be differentiated into bone-forming cells. Human ASCs have already been used in clinical bone tissue engineering in combination with biomaterials and growth factors. However, there is a need for more cost-effective approaches to induce osteogenic differentiation of hASCs.

This study focuses on the optimization of biochemical and mechanical methods for the effective in vitro osteogenic differentiation of hASCs. As a first step in this study, the component concentrations of osteogenic medium (OM) were optimized for hASCs. In order to take this approach towards clinical use, the OM compositions were tested using human serum containing medium or xeno-free RegES medium in comparison with the commonly used medium supplemented with animal-derived fetal bovine serum. Secondly, the efficiency of growth factors such as bone morphogenetic protein (BMP)-2 and -7, as well as the vascular endothelial growth factor (VEGF), was compared with the optimized OM for the osteo-induction of hASCs seeded on 3D biomaterial scaffolds. Biodegradable biphasic calcium phosphate and bioactive glass were used as the 3D scaffolds for hASC in the growth factor study. In addition to biochemical signals, the effect of mechanical stimulation - i.e. vibration loading - was studied on the osteogenic differentiation of hASCs.

The OM compositions and serum conditions had a significant effect on the proliferation and osteogenic differentiation of hASCs. The optimal OM composition had lower dexamethasone and higher L-ascorbic acid 2-phosphate concentrations than the commonly used OM, which was not able to induce the osteogenic differentiation of hASCs efficiently. When compared with the tested growth factors, the optimized OM was more efficient in the in vitro osteo-induction of hASCs. In contrast, the clinically used BMP-7 consistently inhibited proliferation and osteogenic differentiation of hASCs. Furthermore, hASCs did not become sensitive to growth factors when treated with the combination of OM and growth factors. The use of the two different biomaterials revealed differential hASC behaviour in the 3D environment depending on the biomaterial properties. The biphasic calcium phosphate granules enhanced the osteogenic differentiation and collagen production of hASCs, specifically when combined with the optimized OM, whereas the bioactive glass fiber scaffold mostly stimulated proliferation.

To date, the osteo-induction of hASCs has mostly relied on biochemical signals, although mechanical signals have a significant role in the maintenance of bone mass and architecture. Although there is increasing evidence on the mechanosensitivity of osteoblasts and BMSCs, only a limited number of studies have reported the effects of mechanical signals on hASCs. Therefore, vibration loading was tested in this study as a potent new osteogenic inducer of hASCs. The results obtained in this study are among the first to demonstrate that hASCs cultured in OM are mechanosensitive under high magnitude, high frequency (HMHF) vibration. The HMHF vibration in synergy with OM enhanced the osteogenic differentiation of hASCs significantly more than OM induction alone. However, induction by OM was required for the hASCs to become mechanosensitive, as the HMHF vibration did not affect the hASCs cultured in the control medium.

In conclusion, exogenously added growth factors are not an optimal approach for the efficient osteo-induction of hASCs in vitro. In contrast, the optimized OM was demonstrated as a cost-effective way to differentiate hASCs in 2D and 3D culture. The osteogenic differentiation of hASCs under OM induction can further be enhanced by mechanical stimulation, such as HMHF vibration loading.