Osteokondral doku mühendisliğinde biyomimetik yaklaşımlar: Gradyan yapıda doku iskelelerinin hazırlanması ve karakterizasyonu

Abstract

Osteokondral defektler, eklemlerde hastalık, yaşlanma ya da yaralanma sonucu oluşan ve kıkırdak dokusundan başlayarak subkondral kemik yapısını da içine alan ortopedik problemlerdir. Hızla artan ve çözümlenemeyen klinik ihtiyaçlar doğrultusunda, osteokondral dokunun rejenerasyonunu sağlayacak yapıların geliştirilmesini hedefleyen doku mühendisliği yaklaşımı ön plana çıkmaktadır. Gerçekleştirilmiş olan doktora tez çalışmasında, doğal osteokondral yapının hücre dışı matris bileşenleri dikkate alınarak, biyomimetik özelliğe sahip, gradyan yapıda, biyobozunur, çok fazlı sistemlerin tasarlanması, üretimi ve karakterizasyonuna yönelik çalışmalar yürütülmüştür. Buna göre, subkondral kemik fazının, ağırlıkça %80 kitosan ve %20 kollajen tip I içeren süspansiyona %1 nanohidroksiapatit (nHA) eklenmesi ile elde edilen karışımdan oluşturulmasına karar verilmiştir. Kalsifiye kıkırdak faz bileşiminin ağırlıkça %70 kitosan, %30 kollajen tip II ve %0,5 oranında nHA içeren ATDC5 kıkırdak öncül hücrelerinin enkapsüle edildiği jel yapılar olmasına karar verilmiştir. Kıkırdak faz ise, ağırlıkça %50 kitosan ve %50 kollajen tip II içeren ATDC5 kıkırdak öncül hücrelerinin enkapsüle edildiği jellerden hazırlanmıştır. Her üç fazın bir araya getirilmesi ile hazırlanan gradyan yapıdaki osteokondral doku üniteleri ile in-vitro ko-kültür çalışmaları yürütülmüştür. Çalışmalardan elde edilen sonuçlar her doku katmanına (kemik, kalsifiye kıkırdak ve kıkırdak) spesifik genlerin tamamının eksprese olduğunu göstermektedir. Tez çalışmasından elde edilen sonuçlar, tasarımı ve üretimi gerçekleştirilen doku ünitesinin doğal ECM yapısına benzer biyomimetik gradyan yapıda olduğu, ko-kültür ortamında pre-kondrojenik ve pre-osteoblastik hücre hatlarının hücre üremesi ve farklılaşmasını desteklediği yönündedir.

Osteochondral defects caused by traumatic injury, disease or aging are associated with damage of articular cartilage and underlying bone. Driven by the growing unmet clinical need to develop more efficient therapies, tissue engineering offers an alternative to develop new strategies and structures for long term osteochondral regeneration. In this thesis, biomimetic, gradient, biodegradable, multiphase tissue constructs have been designed, produced and characterized by using appropriate techniques. In this essence, subchondral bone phase has been composed of 80% chitosan and 20% collagen type I by weight and 1% (w/v) nanohydroxyapatite (nHA), where MC3T3-E1 preosteoblasts were cultured. Calcified cartilage phase was composed of 70% chitosan and 30% collagen type II to mimic the gradient structure and 0.5% (w/v) nHA was added as the inorganic component. ATDC5 pre chondrogenic cells were encapsulated to differentiate into hypertrophic chondrocytes. Cartilage phase as the third layer was composed of 50% chitosan and 50% collagen type II by weight, also hosting encapsulated ATDC5 cells. The gradient osteochondral structure was maintained by combining these three phases, iteratively. Co-culture studies were performed in vitro. The rseults obtained from these studies showed that all specific markers were expressed for all three phases in the osteochondral unit. The conclusion is that the biomimetic gradient osteochondral tissue construct was able to support the viability and differentiation of pre-osteoblastic and pre-chondrogenic cells in co-culture medium without using additional growth factors.