< Terug naar vorige pagina

Project

Een op biomaterialen gebaseerde aanpak ter evaluatie van het chondrogene potentieel van humane periost gederiveerde cellen

Weefsel-engineering is een interdisciplinair onderzoeksveld dat zich toespitst op de fabricatie van implantaten typisch een combinatie van biomaterialen met cellen en/of groeifactoren. De wisselwerking tussen deze drie componenten leidt tot veelbelovende strategieën die gericht zijn om zelfs in een gecompromitteerde omgeving weefselherstel en regeneratie te bekomen. De brede waaier aan mogelijkheden die biomaterialen met zich mee brengen maakt dat deze een essentieel onderdeel zijn voor de verdere ontwikkeling van deze innovatieve concepten. Zo kunnen deze ontworpen worden als een matrix dat de lokale omgeving van de cellen in het lichaam nabootst, kunnen ze dienen als transport systeem voor cellen op specifieke locaties binnen het lichaam en kunnen ze zelfs gemodificeerd worden om biologische moleculen op te slaan en deze lokaal af te leveren in het lichaam van de patiënt. Deze gemanipuleerde biomaterialen kunnen op maat gemaakt worden om een specifieke cellulaire respons op te wekken, afgestemd op de beoogde therapeutische werking van het ontwikkelde weefsel implantaat. Talrijke studies hebben reeds de interactie tussen cellen en biomaterialen zoals microsferen en hydrogellen onderzocht. In het bijzonder zijn verschillende types hydrogellen, gecombineerd met verschillende, relevante cellen al onderzocht om kraakbeen en botregeneratie te verbeteren. Echter, omwille van de complexiteit van deze weefsels, is er nog steeds nood aan nieuwe, verbeterde strategieën om functioneel herstel van weefseldefecten te ondersteunen.


Dit doctoraatsproefschrift was daarom gericht op het evalueren van verschillende biomaterialen, met name polyethyleenglycol (PEG) hydrogellen en gelatine microsferen, en hun interactie met menselijke periostale cellen. Een verbetert inzicht in deze interacties zou moeten toestaan om in vitro kraakbeen te creëren die vervolgens kan leiden tot in vivo botvorming. Eén van de hoofddoelen van dit proefschrift was daarom het screenen van verschillende formuleringen van PEG hydrogellen op hun vermogen om te dienen als 3D cultuur omgeving ter ondersteuning van het opgroeien van voorlopercellen en van de in vitro cellulaire chondrogenese. In dit eerste deel werd voornamelijk gekeken naar de invloed van het percentage PEG-macromeer (2,5%, 4%, 6,5%, 8%) (g/v) dat werd gebruikt; het type protease-gevoelige crosslinker (VPMSMRGG of GPQGIWGQ) en het al dan niet toevoegen van een adhesiepeptide (RGD). Uit deze initiële screening bleek duidelijk dat constructen van 6,5% (g/v) het beter deden dan de andere formuleringen. Gebruik makende van de ATDC5-cellijn, menselijke articulaire chondrocyten en periostale cellen, in combinatie met proliferatieve kweekomstandigheden zowel als cultuurcondities voor chondrogene differentiatie, konden we verder aantonen dat de 6,5% (g/v) PEG-hydrogelsamenstelling waarin de GPQGIWGQ protease-gevoelige peptide-crosslinker werd gebruikt de meest performante formulering was.


Op basis van de voorgaande resultaten werd vervolgens de geschikte samenstelling van het PEG-hydrogelsysteem bepaald die de levensvatbaarheid, de proliferatie en de chondrogene differentiatie van ingekapselde menselijke periostcellen in combinatie met verschillende kweekmedia optimaal kan ondersteunen. De hydrogellen hiervoor gebruikt verschilden enkel in de al dan niet aanwezigheid van het RGD-peptide terwijl de tweede hoofdvariabele de stimulerende groeifactor in het chondrogene medium was [transformerende groeifactor - β1 (TGF-β1) vs. botmorfogenetisch proteïne - 2 (BMP-2)]. Door analyse van cellulaire morfologie, levensvatbaarheid, celgroei, GAG-productie en chondrogene genexpressie werd vastgesteld dat de 6,5% (g/v) PEG hydrogel bestaande uit de GPQGIWGQ-crosslinker en het RGD-peptide het meest geschikt construct was in het kader van dit proefschrift. Daarom werden deze specifieke combinaties ectopisch geïmplanteerd in de naakte muis teneinde het botvormende vermogen van deze constructen te analyseren. Hoewel de geëxplanteerde constructen op basis van genexpressieanalyse enkele osteogene markers vertoonden werd er geen botvorming waargenomen in deze implantaten.


In het laatste deel van dit werk werden gelatine gebaseerde microsferen die beladen werden met groeifactoren gecombineerd met micromassa’s van menselijke periostale cellen om de groeifactortoediening via microsferen te evalueren als een alternatief voor de op exogene media gebaseerde chondrogene stimulatie. De succesvolle incorporatie van de groeifactor werd bevestigd door microscopiebeelden, histologische analyse en biochemische testen en bevestigden daarmee het potentieel om de chondrogenese van micromassa’s samengesteld uit menselijke periostcellen in medium zonder exogene groeifactoren te bevorderen.


De conclusie van dit onderzoek is dat specifieke PEG hydrogellen kunnen gebruikt worden als draagstructuren en zowel de proliferatie als de chondrogene differentiatie van menselijke periostale cellen kunnen ondersteunen. Bovendien kan de toediening van groeifactoren op basis van gelatine microsferen met succes worden opgenomen in micromassa’s van menselijke periostale cellen ter bevordering van hun chondrogene differentiatie. Het onderzoek van dit proefschrift opent hiermee nieuwe invalshoeken voor het toekomstig onderzoek omtrent combinaties van biomaterialen en voorlopercellen in de context van bot- en kraakbeenweefsel-engineering.

Datum:1 jun 2012 →  20 sep 2018
Trefwoorden:bone formation
Disciplines:Keramische en glasmaterialen, Materialenwetenschappen en -techniek, Halfgeleidermaterialen, Andere materiaaltechnologie, Metallurgie
Project type:PhD project