Tooth germ-derived stem cells in bone tissue engineering: Analysis of osteo-odontogenic potential

Abstract

Kemik Doku mühendisliği (KDM), güvenilir bir kök hücre kaynağına, uygun 3B iskelelere ve büyüme faktörlerine ihtiyaç duyar. Mezenkimal kök hücreler, farklılaşmaları kontrol edilebildiği ve yüksek klonojenik kapasiteye sahip oldukları için KDM için çekici kök hücre kaynaklarıdır. Özellikle, diş dokusundan alınan mezenkimal kök hücreler, yüksek osteojenik kapasiteleri, kolay erişimleri, donör saha morbiditelerinin olmaması ve insan kök hücreleri kullanıldığında da herhangi bir etik problem sahip olmamaları nedeniyle uygun adaylardır. Bu çalışmanın amacı, diş germ kök hücrelerinin (DGKH), diş folikül kök hücrelerinin (DFKH) ve apikal papilla kök hücrelerinin (APKH), klonojenik özelliklerini ve osteojenik farklılaşma kabiliyetini karşılaştırarak KDM için en uygun ve uygulanabilir dental kök hücre kaynağını belirlemek ve bu hücreleri kullanarak PBS:PLGA kompozit hücre iskelesi üzerinde kemik benzeri doku elde etmektir. Bu amaçlar için, 6 aylık domuzlardan insanlara benzerliklerinden dolayı diş germ, folikül ve apikal papilla dokuları çıkarıldı ve bu dokulardan alınan kök hücreler eksplant kültür yöntemi ile izole edildi. Hücrelerin mezenkimal özellikleri akış sitometrisi ve farklılaşma çalışmaları ile kanıtlanmıştır. Hücre kültürü plakalarında osteojenik farklılaşma potansiyelleri mineral birikimi, kalsiyum birikimi, ALP aktivitesi ve osteojenik gen ekspresyonları açısından tespit edildi. Daha sonra fibröz kompozit PBS: PLGA iskeleler farklı konsantrasyon ve oranlarda ıslak eğirme yöntemi ile üretildi. Bozulma analizi, mekanik analiz ve hücre canlılığı testi sonucunda en iyi iskeleler seçildi. Daha sonra, üç farklı kaynaktan gelen hücreler, iskelelere ekildi ve çoğalma davranışları ve osteojenik farklılaşma potansiyelleri, MTS, ALP aktivitesi, von Kossa boyama, RT-PCR ve immünofloresan boyama ile değerlendirildi. Bu çalışmalar, üç farklı kaynaktan alınan kök hücrelerin doku kültürü plakasında yüksek osteojenik farklılaşma kapasitesine sahip olduğunu, ancak APKH'nin daha yüksek ve daha hızlı osteojenik farklılaşma sağladığını gösterdi. Bununla birlikte, tüm hücreler, 21 günlük osteojenik indüksiyonun sonunda iskelede benzer mineralizasyon ve kemik belirteci ekspresyonuna sahipti. Ayrıca, ıslak eğirme ile üretilen yüzde 20'lik ıslak eğirme PBS:PLGA (1:1) iskelenin, iyi mekanik özellikleri ve fizyolojik özellikleri nedeniyle KDM için mükemmel bir aday olduğu gösterilmiştir.

Bone tissue engineering (BTE) needs a reliable stem cell source, appropriate 3D scaffolds and growth factors. Mesenchymal stem cells (MSCs) are attractive stem cell sources for BTE since their differentiation can be controlled and they have high clonogenic capacity. In particular, dental tissue derived MSCs are favorable candidates due to their high osteogenic capacity, easy access, no donor site morbidity and availability of human source without any ethical problems. Aim of this study was to determine most appropriate and applicable dental stem cell source for BTE by comparing clonogenic characteristics and osteogenic differentiation capability of dental germ stem cell (TGSC), dental follicle stem cell (DFSC) and stem cell from apical papilla (SCAP) tissues and to obtain bone-like tissue by seeding the cells with higher osteogenic capacity on fibrous PBS:PLGA composite scaffold. For these purposes, dental germ, follicle and apical papilla tissues of third molars were extracted from 6-month-old pigs due to their similarities to humans and stem cells from these tissues were isolated by explant culture. Mesenchymal characteristics of cells were proved and differentiation studies were performed. Their osteogenic differentiation potential in cell culture plates and on the fibrous composite PBS:PLGA scaffolds which were fabricated by wet spinning were detected in terms of mineral deposition, ALP activity and gene expressions. The best scaffolds were chosen as a result of degradation analysis, mechanical analysis and cell viability test. These studies showed that stem cells from three different sources had great osteogenic differentiation capacity in tissue culture plates but SCAP achieved higher and faster osteogenic differentiation. However, all cells had similar mineralization and bone marker expression on scaffold at the end of 21 days of osteogenic induction. Also, wet spun 20 percent PBS:PLGA (1:1) scaffold was shown to be an excellent candidate for BTE due to its good mechanical properties and physiological features.