Создание и характеристика новых нановибрационных биореакторов для остеогенеза

В регенеративной медицине важны методы, позволяющие контролировать дифференцировку стволовых клеток. Например, механическая стимуляция мезенхимальных стволовых клеток (МСК) в наномасштабе может активировать пути механотрансдукции и стимулировать остеогенез (развитие кости) в 2-D и 3-D культуре. Это может революционизировать костную пластику, создавая материал для трансплантата из аутологичных или аллогенных источников МСК без химической индукции.

В новой работе, опубликованной в Scientific Reports, Пол Кампси и междисциплинарная команда исследователей сконструировали новую систему биореактора, отвечающую требованиям воспроизводимости и масштабируемости для клинического использования.

Конструкция и валидация биореактора

Новый прибор включал:

  • Вибрационную пластину, откалиброванную и оптимизированную для нановибраций с частотой 1 кГц.
  • Блок питания, генерирующий амплитуду вибрации 30 нм.
  • Специальную культуральную посуду (six-well) с магнитными вставками для крепления к пластине.

Команда использовала лазерную интерферометрию для точного измерения смещения вибрации от верхней пластины биореактора и внутри культуральных лунок, что подтвердило корректность работы системы, предсказанную моделями метода конечных элементов (FEA).

Для генерации чистого синусоидального сигнала 1 кГц использовался генератор волн прямого цифрового синтеза (DDS) с реконструктивным фильтром.

Модификация культуральной поверхности и биологические эксперименты

Для улучшения адгезии и пролиферации клеток поверхность пластиковой посуды модифицировали с помощью плазменной активации, что увеличило поверхностную энергию полимера и улучшило смачиваемость (подтверждено измерением краевого угла смачивания водой).

Биологическую валидацию системы провели, оценивая экспрессию остеогенных белков в МСК после нановибрационной стимуляции. У стимулированных клеток наблюдалась повышенная экспрессия ключевых маркеров:

Исключение влияния жесткости геля

Чтобы доказать, что дифференцировка клеток вызвана именно нановибрацией, а не изменением жесткости окружающего матрикса, команда использовала атомно-силовую микроскопию (AFM). Измерения показали, что жесткость коллагенового геля (модуль Юнга) не увеличивалась значимо в ответ на вибрацию, то есть эффекта деформационного упрочнения геля не происходило.

Значение и перспективы

Таким образом, была разработана система биореактора, обеспечивающая механическую стимуляцию с амплитудой около 30 нм на частоте 1 кГц. Эта работа открывает новые возможности в области механобиологии для контроля поведения клеток и дифференцировки стволовых клеток.

Технология имеет большой потенциал для создания 3-D минерализованного матрикса из МСК в коллагеновом геле для формирования костных каркасов. Будущая работа будет сосредоточена на усовершенствовании системы для стимуляции больших количеств клеток.

2019-09-19