Osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells on double layer electrospun scaffolds

Abstract

Bone is the main component of the skeletal system in vertebrates. It provides mobility, locomotion and mechanically supports the soft tissues. Bone related diseases and injuries are generally caused by trauma, genetic malformations, bone loss/overgrow, infections and tumors. While simple fractures are easy to treat, complex fractures and pathological disorders entail arduous treatments. Current orthopaedic solutions encompass invasive surgical procedures and bone grafting (autografts, allografts and xenografts). Despite the fact that they are approved and commonly used methods, they have some unignorable disadvantages. Scientists sought alternative ways to overcome these drawbacks and conclude that tissue engineering could be promising treatment method for bone injuries. In bone tissue engineering, the scaffolds are combined with cells and biological stimulators to favor osteoconduction and osteoinduction during repair and regeneration of damaged or diseased bone.In this study, PCL (poly-ε-caprolactone)/PLLA (poly L-lactic acid) double layer nanofibrous electrospun scaffold system was designed to mimic natural extracellular matrix (ECM) of 3-D bone tissue. Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) loaded gelatin microspheres were embedded between two layers of electrospun scaffolds to favor osteogenic differentiation. In order to test the system, human adipose derived mesenchymal stem cells (hADMSCs) were seeded on the scaffolds. MTS cell viability assay showed that the double layer scaffold system supported the attachment and proliferation of the cells. The osteoinductive capacity of double layer scaffold system has been proven by alkaline phosphatase (ALP) assay, Von-Kossa staining and confocal microscopy analysis The result of these studies demonstrated that our scaffold system was suitable for the attachment, proliferation, differentiation and maturation of the hADMSCs.

Kemik, omurgalılarda iskelet sistemini oluşturan dokulardan biri olup hareketliliği, lokomosyonu sağlar ve yumuşak dokulara destek olur. Kemikle ilgili hastalıklara ve zedelenmelere travma, genetik bozukluklar, kemik kaybı/fazla büyümesi, enfeksiyonlar ve tümörler sebep olur. Basit kırıkların tedavisi kolay olurken, kompleks kırıklar ve patolojik hastalıklar zorlu tedaviler gerektirmektedir. Günümüzde kullanımda olan ortopedik çözümler invaziv cerrahi yöntemler ve kemik greftleridir (otogreft, allogreft, heterograft), Bunlar yaygın olarak kullanılan ve onaylanmış tedavi yöntemleri olmalarına rağmen gözardı edilemeyecek dezavantajlara sahiptirler. Bilim insanları, kullanılan yöntemlerdeki eksikliklerin üstesinden gelebilmek için alternatif yollar aramış ve kemik doku mühendisliğinin kemik hastalıklarının tedavisi için gelecek vaadeden bir alan olabileceğinde karar kılmışlardır. Kemik doku mühendisliğinde, hasarlı veya hastalıklı kemik dokusunun onarımı ve rejenerasyonu esnasında osteokondüksiyonu ve osteoindüksiyonu desteklemek amacıyla iskeletler, hücreler ve biyolojik uyaranlarla birleştirilmiştir. Bu çalışmada, üç boyutlu kemik dokunun ekstrasellüler matriksini taklit etmek amacıyla, poli-ε-kaprolakton (PCL)/poli(L-laktikasit) (PLLA) çift katmanlı nanolif sistem dizayn edilmiştir. Yapı iskelesi elektro-eğirme yöntemiyle hazırlanmış olup osteojenik farklılaşmayı desteklemek için iki katmanın arasına kemik morfojenik proteini (BMP-2) yüklü jelatin mikro küreler yerleştirilmiştir. Tasarlanan iskele sistemini test etmek üzere insan yağ dokusundan elde edilen mezankimal kök hücreler (hADMSCs) iskelelerin üzerine ekilmiştir. Çift katmanlı iskele sisteminin hücre tutunmasını ve çoğalmasını desteklediği MTS testi ile gösterilmiştir. Alkalen fosfataz testi, Von-Kossa boyaması ve konfokal mikroskop analizleri kullanılarak çift katmanlı iskele sisteminin osteoindüktif kapasitesi kanıtlanmıştır. Bu çalışmalar sonucunda, tasarlamış olduğumuz iskelele sisteminin insan yağ dokusundan elde edilen mezankimal kök hücrelerinin tutunması, çoğalması, farklılaşması ve olgunlaşması için uygun olduğu görülmüştür.