Stem cells for tissue engineering of bone

Målet var å utvikle strategier der stamceller kan modes til beinceller, og sammen med et kunstig vekstativ danne integrerbart og sterkt beinsubstitutt. Stamceller isolert fra hhv fettvev og benmarg ble testet for å se om vevet de kom fra, var av betydning for cellene sin evne til å modnes til beinceller, og evnen til å danne kollagen-basert ekstracellulær matriks ble brukt som en markør på dette. Cellene fra fettvev, såkalte hAT-MSC, gav best resultat i vårt oppsett. Et ultra-porøst TiO2 stillas, utviklet ved Institutt for Biomaterialer, Universitetet i Oslo, ble valgt som 3-dimensjonal støtte for stamceller under utvikling. Effekten av fire bein-stimulerende faktorer (simvastain, leptin, forskolin og deksametason) ble testet.. I et oppsett med 16 kombinasjoner av disse fire faktorer, ble deksametason identifisert som en av de viktigste regulatorene av osteogen modning av stamceller ut fra genekspresjonsprofilene. Cellene ble dyrket i opp til 2 måneder, og analyser av proteinene de skilte ut bekreftet at hAT-MSC dyrket på TiO2 stillaser modnes til beindannende celler. Ikke bare valg, men også dose og leveringsmåte av bein-stimulerende faktorene kan ha betydning for modningen av cellene. Faktorene ble kapslet inn i hydrogel eller polyfenol og festet til stillaset for å gi en sakte frigjøring av disse til cellene. Faktorer som simvastain og emalje matrise derivat (EMD), to farmasøytiske produkter som er vist å ha bein-stimulerende effekt ble testet. Denne strategien gav modning av hAT-MSC til beindannende celler i stillasene. I tilsvarende oppsett ble stamceller, stillas og ulike stimulerende faktorer i både alginat og polyfenol innkapsling testet ved mikrogravitasjon, noe som simulerer en in vivo situasjon. I en tissue engineering situasjon vil grensesnittet mellom stillaser, tilsatte celler og stimulerende faktorer og vertsvevet bli omsluttet av et fibrøst nettverk. I forsøk på å simulere denne situasjonen ble både celler og EMD omsluttet av hydrogel, og effekten på cellene sin vekst og modning evaluert. Vår konklusjon er at kombinasjonen av stamceller fra fettvev og TiO2 stillasene har potensialer for klinisk bruk.

The project involve at developing the use of stem cells for bone engineering. The main stem cell type to be used in this project is mesenchymal stem cells (MSC). These cells are stem cells based on the fact that they can self renew and differentiate to ce lls typical of several lineages, and cells derived from a single cloned cell can, upon transplantation, give rise to functional offspring and functional differentiated tissue. The project will also involve the use of a recently isolated population of endo thelial progenitor cells (EPC) for improved vascularization of graft materials and stem cell seeded scaffolding materials. The project will emply a wide range of methods to characterize the differentiation of MSC to osteoblasts, and to describe the intera ction between the differentiating MSC and vessel-forming EPC. We will analyse factors which regulate gene expression such as epigenetics, micro-RNAs and transcription factors, regulators of translation and post-translational modifications and perform assa ys to determine extracellular matrix (ECM) protein synthesis and expression, cell/ECM interactions, cell/biomaterial and ECM/biomaterial interactions. This will improve fundamental processes associated with growth and differentiation of stem cells, and es tablish cell lines that may be used therapeutically. Presently the group the only one in Norway using stem cells in tissue engineering applications. The end point of the present project is to establish protocols for repair of damaged bone tissue, with the aim of initiating a phase 1 clinical trial with a stem cell seeded bone graft substitute developed in this project for use in a selected patient population. Many groups of patients will benefit from the development of a bone graft substitute based on ste m cells and biomaterials, including patients with skeletal cancers, patients with other forms of bone loss, and patients with osteoporosis and other chronic degenerative bone diseases.