Acta Chir Orthop Traumatol Cech. 2013; 80(1):82-88 | DOI: 10.55095/achot2013/013
Injikovatelný hydrogel funkcionalizovaný suspenzí bohatou na trombocyty a mikročásticemi pro urychlení regenerace chrupavkyPůvodní práce
- 1 CB Bio s.r.o., Praha-Dolní Počernice
- 2 Ústav biofyziky, 2. lékařská fakulta, Univerzita Karlova v Praze, Praha 5
- 3 Student Science s.r.o., Horní Podluží
- 4 Univerzita Pardubice, Katedra biologických a biochemických věd, Pardubice
- 5 Univerzita Pardubice, Ústav environmentálního a chemického inženýrství, Pardubice
- 6 Národní Tkáňové Centrum a.s., Brno
PURPOSE OF THE STUDY:
Articular cartilage defects arise due to injury or osteochondral disease such as osteonecrosis or osteochondritis dissecans. In adult patients cartilage has minimal ability to repair itself and the lesions develop into degenerative arthritis. Overcoming the low regenerative capacity of the cartilage cells and the Hayflick limit poses a challenge for the therapy of osteochondral defects. Composite scaffolds with appropriate biomechanical properties combined with a suitable blend of proliferation and differentiation factors could be a solution. The aim of this in vitro study was to develop a novel functionalised hydrogel with an integrated drug delivery system stimulating articular cartilage regeneration.
MATERIAL AND METHODS:
Injectable collagen/ hyaluronic acid/fibrin composite hydrogel was mixed with nanofibre-based microparticles. These were loaded with ascorbic acid and dexamethasone. In addition, the effect of thrombocyte-rich solution (TRS) was studied. The gels seeded with mesenchymal stem cells (MSCs) were cultivated for 14 days. The viability, proliferation and morphology of the cells were evaluated using molecular and microscopic methods. Scaffold degradation was also assessed.
RESULTS:
The cultivation study showed that MSCs remained viable in all experimental groups, which indicated good biocompatibility of the gel. However, the number of cells in the groups enriched with microparticles was lower than in the other groups. On the other hand, confocal microscopy showed higher cell viability and rounded morphology of the cells, which can be associated with chodrogenic differentiation. The scaffolds containing microparticles showed significantly higher stability during the 14-day experiment.
DISCUSSION:
Our results suggest that the addition of microparticles to the scaffold improved cell differentiation into the chondrogenic lineage, resulting in a lower proliferation rate. Cell viability was better in the groups enriched with microparticles that served as an efficient drug delivery system. In addition, the presence of microparticles slowed down gel degradation which can help achieve sufficient stability of the system for the time frame required for cartilage regeneration.
CONCLUSIONS:
The novel approach described here produced an efficient system where microparticles served as a drug delivery system and stabilised the gel for prolonged periods of time. These characteristics play an important role in the development of scaffolds for cartilage regeneration. In the future the results of these in vitro experiments will be verified in an in vivo study.
Klíčová slova: composite hydrogel, microparticles, nanofibres, thrombocytes, mesenchymal stem cells, cartilage
Zveřejněno: 1. únor 2013 Zobrazit citaci
ACS | AIP | APA | ASA | Harvard | Chicago | Chicago Notes | IEEE | ISO690 | MLA | NLM | Turabian | Vancouver |
Reference
- AKEDA, K., AN, H. S., OKUMA, M., ATTAWIA, M., MIYAMOTO, K., THONAR, E. J., LENZ, M. E., SAH, R. L., MASUDA, K.: Platelet-rich plasma stimulates porcine articular chondrocyte proliferation and matrix biosynthesis. Osteoarthr. Cartil., 14: 1272-1280, 2006.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- BEHRAVESH, E., TIMMER, M. D., LEMOINE, J. J., LIEBSCHNER, M. A., MIKOS, A. G.: Evaluation of the in vitro degradation of macroporous hydrogels using gravimetry, confined compression testing, and microcomputed tomography. Biomacromolecules, 3: 1263-1270, 2002.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- BUCKWALTER, J. A., MANKIN, H. J.: Articular cartilage: degeneration and osteoarthritis, repair, regeneration, and transplantation. Instr. Course Lect., 47: 487-504, 1998.
- CUI, Z., LEE, B. H., PAUKEN, C., VERNON, B. L.: Degradation, cytotoxicity, and biocompatibility of NIPAAm-based thermosensitive, injectable, and bioresorbable polymer hydrogels. J. Biomed. Mater. Res. A, 98: 159-166, 2011.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- FILOVA, E., JELINEK, F., HANDL, M., LYTVYNETS, A., RAMPICHOVA, M., VARGA, F., CINATL, J., SOUKUP, T., TRC, T., AMLER, E.: Novel composite hyaluronan/type I collagen/fibrin scaffold enhances repair of osteochondral defect in rabbit knee. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater., 87: 415-424, 2008.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- FILOVA, E., RAMPICHOVA, M., HANDL, M., LYTVYNETS, A., HALOUZKA, R., USVALD, D., HLUCILOVA, J., PROCHAZKA, R., DEZORTOVA, M., ROLENCOVA, E., KOSTAKOVA, E., TRC, T., STASTNY, E., KOLACNA, L., HAJEK, M., MOTLIK, J., AMLER, E.: Composite hyaluronate-type I collagen-fibrin scaffold in the therapy of osteochondral defects in miniature pigs. Physiol. Res., 56 (Suppl 1): S5-S16, 2007.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- FORTIER, L. A., MOHAMMED, H. O., LUST, G., NIXON, A. J.: Insulin-like growth factor-I enhances cell-based repair of articular cartilage. J. Bone Jt Surg. 84-B: 276-288, 2002.
Přejít k původnímu zdroji...
- HALEEM, A. M., SINGERGY, A. A., SABRY, D., ATTA, H. M., RASHED, L. A., CHU, C. R., EL SHEWY, M. T., AZZAM, A., ABDEL AZIZ, M. T.: The clinical use of human culture-expanded autologous bone marrow mesenchymal stem cells transplanted on platelet-rich Fibrin Glue in the treatment of articular cartilage defects: A pilot study and preliminary results. Cartilage, 1: 253-261, 2010.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- HANGODY, L., FULES, P.: Autologous osteochondral mosaicplasty for the treatment of full-thickness defects of weight-bearing joints: ten years of experimental and clinical experience. J. Bone Jt Surg., 85-A (Suppl 2): 25-32, 2003.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- JAKUBOVA, R., MICKOVA, A., BUZGO, M., RAMPICHOVA, M., PROSECKA, E., TVRDIK, D., AMLER, E.: Immobilization of thrombocytes on PCL nanofibres enhances chondrocyte proliferation in vitro. Cell. Prolif., 44: 183-191, 2011.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- KAPS, C., BRAMLAGE, C., SMOLIAN, H., HAISCH, A., UNGETHUM, U., BURMESTER, G. R., SITTINGER, M., GROSS, G., HAUPL, T.: Bone morphogenetic proteins promote cartilage differentiation and protect engineered artificial cartilage from fibroblast invasion and destruction. Arthritis Rheum., 46: 149-162, 2002.
Přejít k původnímu zdroji...
- KERN, S., EICHLER, H., STOEVE, J., KLUTER, H., BIEBACK, K.: Comparative analysis of mesenchymal stem cells from bone marrow, umbilical cord blood, or adipose tissue. Stem Cells, 24: 1294-1301, 2006.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- KNOTEK, P., POUZAR, M., BUZGO, M., KRIZKOVA, B., VLCEK, M., MICKOVA, A., PLENCNER, M., NAVESNIK, J., AMLER, E., BELINA, P.: Cryogenic grinding of electrospun poly-ε-caprolactone mesh submerged in liquid media. Mater. Sci. Eng. C, 32: 1366-1374, 2012.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- LIANG, D., HSIAO, B. S., CHU, B.: Functional electrospun nanofibrous scaffolds for biomedical applications. Adv. Drug Deliv. Rev., 59: 1392-1412, 2007.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- LIANG, D., HSIAO, B. S., CHU, B.: Functional electrospun nanofibrous scaffolds for biomedical applications. Adv. Drug Deliv. Rev., 59: 1392-1412, 2007.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- LOUWERSE, R. T., HEYLIGERS, I. C., KLEIN-NULEND, J., SUGIHARA, S., VAN KAMPEN, G. P., SEMEINS, C. M., GOEI, S. W., DE KONING, M. H., WUISMAN, P. I., BURGER, E. H.: Use of recombinant human osteogenic protein-1 for the repair of subchondral defects in articular cartilage in goats. J. Biomed. Mater. Res., 49: 506-516, 2000.
Přejít k původnímu zdroji...
- LUKAS, D., SARKAR, A., POKORNY, P.: Self-organization of jets in electrospinning from free liquid surface: A generalized approach. Journal of Applied Physics, 103: 084309, 2008.
Přejít k původnímu zdroji...
- MILANO, G., SANNA PASSINO, E., DERIU, L., CAREDDU, G., MANUNTA, L., MANUNTA, A., SACCOMANNO, M. F., FABBRICIANI, C.: The effect of platelet rich plasma combined with microfractures on the treatment of chondral defects: an experimental study in a sheep model. Osteoarthr. Cartil., 18: 971-980, 2010.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- NA, K., KIM, S., WOO, D. G., SUN, B. K., YANG, H. N., CHUNG, H. M., PARK, K. H.: Synergistic effect of TGFbeta-3 on chondrogenic differentiation of rabbit chondrocytes in thermo-reversible hydrogel constructs blended with hyaluronic acid by in vivo test. J. Biotechnol., 128: 412-422, 2007.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- NOH, H. K., LEE, S. W., KIM, J. M., OH, J. E., KIM, K. H., CHUNG, C. P., CHOI, S. C., PARK, W. H., MIN, B. M.: Electrospinning of chitin nanofibers: degradation behavior and cellular response to normal human keratinocytes and fibroblasts. Biomaterials, 27: 3934-3944, 2006.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- PARK, J. C., KIM, J. M., JUNG, I. H., KIM, J. C., CHOI, S. H., CHO, K. S., KIM, C. S.: Isolation and characterization of human periodontal ligament (PDL) stem cells (PDLSCs) from the inflamed PDL tissue: in vitro and in vivo evaluations. J. Clin. Periodontol., 38: 721-731, 2011.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- PARK, W. H., MIN, B. M., LEE, G., KIM, S. H., NAM, Y. S., LEE, T. S.: Electrospinning of silk fibroin nanofibers and its effect on the adhesion and spreading of normal human keratinocytes and fibroblasts in vitro. Biomaterials, 25: 1289-1297, 2004.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- PHAM, Q. P., SHARMA, U., MIKOS, A. G.: Electrospun poly(epsilon-caprolactone) microfiber and multilayer nanofiber/microfiber scaffolds: characterization of scaffolds and measurement of cellular infiltration. Biomacromolecules, 7: 2796-2805, 2006.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- PITTENGER, M. F., MACKAY, A. M., BECK, S. C., JAISWAL, R. K., DOUGLAS, R., MOSCA, J. D., MOORMAN, M. A., SIMONETTI, D. W., CRAIG, S., MARSHAK, D. R.: Multilineage potential of adult human mesenchymal stem cells. Science, 284: 143-147, 1999.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- PROSECKA, E., BUZGO, M., RAMPICHOVA, M., KOCOUREK, T., KOCHOVA, P., VYSLOUZILOVA, L., TVRDIK, D., JELINEK, M., LUKAS, D., AMLER, E.: Thin-layer hydroxyapatite deposition on a nanofiber surface stimulates mesenchymal stem cell proliferation and their differentiation into osteoblasts. J. Biomed. Biotechnol., 2012: 428503, 2012.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- PROSECKA, E., RAMPICHOVA, M., VOJTOVA, L., TVRDIK, D., MELCAKOVA, S., JUHASOVA, J., PLENCNER, M., JAKUBOVA, R., JANCAR, J., NECAS, A., KOCHOVA, P., KLEPACEK, J., TONAR, Z., AMLER, E.: Optimized conditions for mesenchymal stem cells to differentiate into osteoblasts on a collagen/hydroxyapatite matrix. J. Biomed. Mater. Res. A, 99: 307-315, 2011.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- RAMPICHOVA, M., FILOVA, E., VARGA, F., LYTVYNETS, A., PROSECKA, E., KOLACNA, L., MOTLIK, J., NECAS, A., VAJNER, L., UHLIK, J., AMLER, E.: Fibrin/hyaluronic acid composite hydrogels as appropriate scaffolds for in vivo artificial cartilage implantation. ASAIO J., 56: 563-568, 2010.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- RHO, K. S., JEONG, L., LEE, G., SEO, B. M., PARK, Y. J., HONG, S. D., ROH, S., CHO, J. J., PARK, W. H., MIN, B. M.: Electrospinning of collagen nanofibers: effects on the behavior of normal human keratinocytes and early-stage wound healing. Biomaterials, 27: 1452-1461, 2006.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- SILL, T. J., VON RECUM, H. A.: Electrospinning: applications in drug delivery and tissue engineering. Biomaterials, 29: 1989-2006, 2008.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...
- SUSAN, L., et al.: Biomimetic electrospun nanofibers for tissue regeneration. Biomedical Materials, 1: R45, 2006.
Přejít k původnímu zdroji...
Přejít na PubMed...