Разработка 3D-коллагеновой модели для тестирования магнит-ассистированного остеогенеза in vitro

Механизмы регенерации костной ткани с помощью магнитной стимуляции требуют дальнейшего изучения. Для оценки этого явления в лаборатории была разработана трехмерная (3D) нативная коллагеновая модель с использованием пластической компрессии для создания клеточной, плотной и механически прочной структуры.

Методы и модель

Для создания моделей с клетками Чжию Юань и коллеги включили в коллагеновые гели клетки остеобластов (линия MG-63) и магнитные наночастицы оксида железа (IONPs). С помощью 3D-печати был спроектирован и изготовлен магнитный биореактор для поддержания роста клеток в условиях статических магнитных полей (SMFs). Методом полимеразной цепной реакции (PCR) ученые оценили влияние SMFs на регуляцию и экспрессию генов, связанных с остеогенезом: runt-связанного транскрипционного фактора 2 (Runx2), остеонектина (ON) и костных морфогенетических белков 2 и 4 (BMP-2 и BMP-4).

Результаты

Результаты, опубликованные в Scientific Reports, показали, что SMFs, IONPs и коллагеновая матрица способны стимулировать пролиферацию, продукцию щелочной фосфатазы и минерализацию остеобластов. Этот процесс был обусловлен влиянием на взаимодействия матрицы и клеток, что изменяло экспрессию Runx2, ON, BMP-2 и BMP-4.

• Пролиферация клеток: Оценка с помощью анализа alamarBlue на 14-й день показала значительную разницу между воздействием только SMFs, только IONPs и их комбинацией. Включение IONPs продлевало эффект SMFs.
• Дифференцировка клеток: Активность щелочной фосфатазы (ALP) была значительно выше при комбинированном воздействии IONPs и SMFs по сравнению с каждым фактором в отдельности.
• Минерализация: После 42 дней все образцы показали полную минерализацию при окрашивании ARS. Однако комбинация SMFs и IONPs не усилила этот процесс по сравнению с контролем.
• Экспрессия генов: Анализ RT-qPCR показал, что 7-дневное воздействие только SMFs не влияло на экспрессию Runx2, но ее повышение наблюдалось при комбинации SMFs с IONPs. Уровень экспрессии ON в образцах с IONPs, SMFs и их комбинацией был выше, чем в контроле, уже через короткое время. Аналогичные результаты для BMP-2 и BMP-4 наблюдались в период с 7 по 14 день.

Значение исследования

Исследование продемонстрировало, что остеогенез — сложный процесс, опосредованный последовательной активацией ключевых генов. SMFs могут индуцировать пролиферацию клеток, модулируя раннюю экспрессию Runx2. При включении IONPs под действием SMFs повышалась экспрессия гена остеонектина (ON), который связывает коллаген с костным минералом. BMP-2 и BMP-4 увеличивались только в условиях комбинированного культивирования с SMFs и IONPs.

Разработанная биомиметическая 3D-коллагеновая модель способна прогрессивно минерализоваться, формируя новую костную модель in vitro. Взаимодействия клетка-матрица в ней успешно повышают экспрессию ключевых генов остеогенеза. Авторы намерены развивать эту модель как превосходную платформу для изучения клеточного поведения in vitro с потенциалом применения в тканевой инженерии и регенеративной медицине.