Vi introducerer tre metoder til direkte dyrkning, direkte eksponeringskultur og eksponeringskultur til evaluering af in vitro-cytokompatibiliteten af biologisk nedbrydelige implantatmaterialer. Disse in vitro-metoder efterligner forskellige in vivo-celle-implantatinteraktioner og kan anvendes til at studere forskellige biologisk nedbrydelige materialer.
I løbet af de sidste årtier er biologisk nedbrydelige materialer blevet grundigt udforsket til biomedicinske anvendelser såsom ortopædiske, dentale og craniomaxillofaciale implantater. For at screene biologisk nedbrydelige materialer til biomedicinske anvendelser er det nødvendigt at evaluere disse materialer med hensyn til in vitro-celleresponser , cytokompatibilitet og cytotoksicitet. International Organization for Standardization (ISO) standarder er blevet udbredt i evalueringen af biomaterialer. Imidlertid blev de fleste ISO-standarder oprindeligt etableret for at vurdere cytotoksiciteten af ikke-nedbrydelige materialer, hvilket gav begrænset værdi til screening af bionedbrydelige materialer.
Denne artikel introducerer og diskuterer tre forskellige dyrkningsmetoder, nemlig direkte dyrkningsmetode, direkte eksponeringskulturmetode og eksponeringskulturmetode til evaluering af in vitro-cytokompatibiliteten af bionedbrydelige implantatmaterialer, herunder bionedbrydelige polymerer, keramik, metaller og deres kompositter, med forskellige celletyper. Forskning har vist, at dyrkningsmetoder påvirker celleresponser på biologisk nedbrydelige materialer, fordi deres dynamiske nedbrydning inducerer spatiotemporale forskelle ved grænsefladen og i det lokale miljø. Specifikt afslører den direkte dyrkningsmetode reaktionerne fra celler, der er podet direkte på implantaterne; metoden med direkte eksponeringskultur belyser reaktionerne fra etablerede værtsceller, der kommer i kontakt med implantaterne og eksponeringskulturmetoden evaluerer de etablerede værtsceller, der ikke er i direkte kontakt med implantaterne, men påvirkes af ændringerne i det lokale miljø som følge af implantatnedbrydning.
Denne artikel giver eksempler på disse tre dyrkningsmetoder til undersøgelse af in vitro-cytokompatibiliteten af bionedbrydelige implantatmaterialer og deres interaktioner med knoglemarvsafledte mesenkymale stamceller (BMSC’er). Det beskriver også, hvordan man høster, passage, kultur, frø, fikserer, pletter, karakteriserer cellerne og analyserer postkulturmedier og materialer. De in vitro-metoder, der er beskrevet i denne artikel, efterligner forskellige scenarier i in vivo-miljøet og udvider anvendeligheden og relevansen af in vitro-cytokompatibilitetstest af forskellige biomaterialer til forskellige biomedicinske anvendelser.
I årtier er biologisk nedbrydelige materialer blevet grundigt undersøgt og anvendt i biomedicinske applikationer såsom ortopædiske1,2, dental3,4 og craniomaxillofacial5 applikationer. I modsætning til permanente implantater og materialer nedbrydes biologisk nedbrydelige metaller, keramik, polymerer og deres kompositter gradvist i kroppen over tid via forskellige kemiske reaktioner i det fysiologiske miljø. For eksempel er biologisk nedbrydelige metaller såsom magnesiumlegeringer (Mg) legeringer1,6,7 og zink (Zn) legeringer8,9 lovende materialer til knoglefikseringsanordninger. Deres biologisk nedbrydelighed kan eliminere behovet for sekundære operationer for at fjerne implantaterne efter knogleheling. Bionedbrydelig keramik såsom calciumphosphatcementer (CPC’er) har vist et spændende potentiale til behandling af osteoporotiske vertebrale kompressionsfrakturer i perkutan kyphoplastik10. CPC’erne giver mekanisk støtte til den brækkede hvirvellegeme og nedbrydes gradvist, efter at bruddet er helet.
Bionedbrydelige polymerer, såsom nogle polysaccharider og polyestere, er også blevet bredt undersøgt til biomedicinske anvendelser. For eksempel har chitosanhydrogel som et biologisk nedbrydeligt polysaccharid udvist sine evner til at forhindre infektion og regenerere hudvæv11. Poly-L-mælkesyre (PLLA), poly(glycolsyre) (PGA) og poly(mælkesyre-co-glycolsyre) (PLGA) er bredt undersøgte polyestere til fremstilling af 2D eller 3D porøse stilladser til vævstekniske anvendelser12,13,14. Desuden integrerer kompositmaterialer to eller flere faser af metaller, keramik og polymerer for at levere avancerede funktioner til en bred vifte af biomedicinske applikationer15,16,17. For eksempel kan PLGA- og calciumphosphatkompositter bruges til at fremstille biologisk nedbrydelige stilladser til applikationer såsom reparation af kranieknogledefekter18. Disse biologisk nedbrydelige stilladser og implantater kan understøtte og fremme væksten af celler og væv og derefter gradvist nedbrydes i kroppen over tid.
Som vist i supplerende tabel 1 kan forskellige bionedbrydelige materialer have forskellige nedbrydningsmekanismer, produkter og hastigheder. For eksempel nedbrydes magnesiumlegeringer, såsom Mg-2 vægt % Zn-0,5 vægt % Ca (ZC21)1, Mg-4 vægt% Zn-1 vægt% Sr (ZSr41)19 og Mg-9 vægt% Al-1 vægt% zink (AZ91)20, ved at reagere med vand, og deres nedbrydningsprodukter omfatter hovedsageligt Mg2+ ioner, OH-ioner, H2-gas og mineralaflejringer. Nedbrydningshastigheden for bionedbrydelige metaller varierer afhængigt af deres forskellige sammensætninger, geometrier og nedbrydningsmiljøer. For eksempel rapporterede Cipriano et al.19, at ZSr41-ledninger (Ø1.1 × 15 mm) mistede 85% masse, mens rene Mg-ledninger med samme geometri mistede 40% masse efter at være blevet implanteret i rotteskinnebenet i 47 dage. Bionedbrydelige keramiske materialer såsom hydroxyapatit (HA) og β-tricalciumphosphat (β-TCP) kan nedbrydes via opløsningsdrevet ekstracellulær væskeopløsning eller nedbrydes til små partikler og derefter nedbrydes via både ekstracellulær væskeopløsning og cellemedierede resorptionsprocesser. Nedbrydningsprodukterne fra disse calciumphosphatbaserede keramik kan omfatte Ca2+-ioner, (PO4)3-ioner, OH-ioner og mineralaflejringer21. Nedbrydningshastigheden for calciumphosphatkeramik påvirkes signifikant af deres krystalstrukturer. For eksempel rapporterede Van Blitterswijk et al.22, at HA med 40 vol.% mikroporer ikke mistede nogen masse, mens β-TCP med 40 vol.% mikroporer mistede 30 ± 4% masse efter at være blevet implanteret i tibiae af kaniner i 3 måneder. Polymerer såsom PLGA14,23 kan nedbrydes på grund af hydrolyse af esterbindingerne i nærværelse af vand, og nedbrydningsprodukterne omfatter hovedsageligt mælkesyrer og glykolsyrer. Det kan tage en måned for PLGA 50/50 og flere måneder for PLGA 95/5 at opnå fuldstændig nedbrydning24.
Cellerespons og cytokompatibilitetstest er afgørende for at evaluere og screene disse biologisk nedbrydelige implantatmaterialer til biomedicinske anvendelser. Imidlertid blev de nuværende standarder fra Den Internationale Standardiseringsorganisation (ISO), såsom ISO 10993-5: 2009 “Biologisk evaluering af medicinsk udstyr-Del 5 Tests for in vitro cytotoksicitet”, oprindeligt designet til at vurdere cytotoksiciteten af ikke-nedbrydelige biomaterialer såsom Ti-legeringer og Cr-Co-legeringer in vitro25. Specifikt dækker ISO 10993-5:2009 kun in vitro-cytotoksicitetstest af ekstraktet, direkte kontakt og indirekte kontakttest. I ekstrakttesten fremstilles ekstraktet ved at nedsænke prøver i ekstraktionsvæsker såsom kulturmedier med serum og fysiologiske saltopløsninger under en af standardtids- og temperaturbetingelserne. Det indsamlede ekstrakt eller fortynding tilsættes derefter i cellekulturen for at studere cytotoksicitet. For den direkte kontakttest opnås direkte kontakt mellem prøve og celler ved at placere testprøven på det etablerede (klæbede) cellelag. I den indirekte kontakttest pipetteres kulturmediet indeholdende serum og smeltet agar for at dække de etablerede celler. Prøven anbringes derefter på det størknede agarlag med eller uden filter.
ISO-standarderne har vist nogle begrænsninger, når de anvendes til at evaluere biologisk nedbrydelige materialer in vitro. I modsætning til ikke-nedbrydelige materialer er nedbrydningsadfærden for biologisk nedbrydelige materialer dynamisk og kan ændre sig på et andet tidspunkt eller under forskellige miljøforhold (f.eks. Temperatur, fugtighed, mediesammensætning og celletype). Ekstrakttesten evaluerer kun cytotoksiciteten af materialets nedbrydningsprodukter og afspejler ikke den dynamiske proces med nedbrydning af prøver. Både direkte og indirekte kontakttest af ISO-standarden karakteriserer kun interaktionerne mellem de etablerede celler og prøver. Desuden er materialerne og cellerne i den indirekte kontakttest i forskellige mikromiljøer, der ikke afspejler in vivo-miljøet og ikke fanger den dynamiske nedbrydning af bionedbrydelige materialer.
Formålet med denne artikel er at introducere og diskutere cytokompatibilitetstestmetoderne for forskellige bionedbrydelige implantatmaterialer for at imødegå de ovennævnte begrænsninger af de metoder, der er beskrevet i de nuværende ISO-standarder. De metoder, der præsenteres i denne artikel, overvejer implantatmaterialernes dynamiske nedbrydningsadfærd og de forskellige omstændigheder ved celle-materiale-interaktioner in vivo. Specifikt giver denne artikel tre cytokompatibilitetstestmetoder, nemlig direkte kultur, kultur med direkte eksponering og eksponeringskultur for forskellige bionedbrydelige materialer, herunder bionedbrydelige polymerer, keramik, metaller og deres kompositter til medicinske implantatapplikationer.
I den direkte dyrkningsmetode sås celler, der er suspenderet i dyrkningsmediet, direkte på prøverne, hvormed interaktionerne mellem nyfrøede celler og implantaterne evalueres. I den direkte eksponeringskultur placeres prøverne direkte på det etablerede cellelag for at efterligne interaktionerne mellem implantater og etablerede værtsceller i kroppen. I eksponeringskulturen placeres prøverne i deres respektive brøndindsatser og introduceres derefter til kulturbrøndene med etablerede celler, som karakteriserer de etablerede cellers reaktioner på ændringerne i det lokale miljø induceret af implantatnedbrydning, når de ikke har nogen direkte kontakt med implantater. Metoderne til dyrkning af direkte kultur og direkte eksponering evaluerer cellerne direkte eller indirekte i kontakt med implantatmaterialerne i samme kultur godt. Eksponeringskulturen karakteriserer cellerne indirekte i kontakt med implantatmaterialerne inden for en foreskrevet afstand i samme kulturbrønde.
Denne artikel præsenterer en detaljeret beskrivelse af cytokompatibilitetstesten for forskellige biologisk nedbrydelige materialer og deres interaktioner med modelceller, det vil sige knoglemarvsafledte mesenkymale stamceller (BMSC’er). Protokollerne omfatter høst, dyrkning, såning, fastgørelse, farvning og billeddannelse af cellerne sammen med analyser af postkulturmaterialer og medier, der gælder for en række biologisk nedbrydelige implantatmaterialer og en bred vifte af celletyper. Disse metoder er nyttige til screening af biologisk nedbrydelige materialer til forskellige biomedicinske anvendelser med hensyn til cellerespons og cytokompatibilitet in vitro.
Forskellige cellekulturmetoder kan anvendes til at evaluere in vitro-cytokompatibiliteten af biomaterialer af interesse for forskellige aspekter af applikationer in vivo. Denne artikel demonstrerer tre in vitro-dyrkningsmetoder, dvs. direkte kultur, kultur med direkte eksponering og eksponeringskultur, for at efterligne forskellige in vivo-scenarier, hvor bionedbrydelige implantatmaterialer anvendes inde i menneskekroppen. Den direkte dyrkningsmetode bruges hovedsageligt til at evaluer…
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne sætter pris på den økonomiske støtte fra US National Science Foundation (NSF CBET-prisen 1512764 og NSF PIRE 1545852), National Institutes of Health (NIH NIDCR 1R03DE028631), University of California (UC) Regents Faculty Development Fellowship og Committee on Research Seed Grant (Huinan Liu) og UC-Riverside Dissertation Research Grant (Jiajia Lin). Forfatterne sætter pris på Central Facility for Advanced Microscopy and Microanalysis (CFAMM) ved UC-Riverside til brug af SEM / EDS og Dr. Perry Cheung til brug af XRD-instrumenter. Forfatterne sætter også pris på Thanh Vy Nguyen og Queenie Xu for delvis redigering. Forfatterne vil også gerne takke Cindy Lee for at optage fortællingen til videoen. Eventuelle meninger, resultater og konklusioner eller anbefalinger, der udtrykkes i denne artikel, er forfatternes og afspejler ikke nødvendigvis synspunkterne fra National Science Foundation eller National Institutes of Health.
10 mL serological pipette | VWR | 490019-704 | |
12-well tissue-culture-treated plates | Thermo Fisher Scientific | 353043 | |
15 mL conical tube (Polypropylene) | VWR | 89039-666 | |
18 G needle | BD | 305196 | |
25½ G needle | BD | 305122 | |
4′,6-diamidino-2- phenylindole dilactate (DAPI) | Invitrogen | D3571 | |
50 mL conical tube (Polypropylene) | VWR | 89039-658 | |
70 μm nylon strainer | Fisher Scientific | 50-105-0135 | |
Alexa Flour 488-phalloidin | Life technologies | A12379 | |
Biological safety cabinet | LABCONCO | Class II, Type A2 | |
Centrifuge | Eppendorf | Rotor F-35-6-30, Centrifuge5430 | |
Clear Fused Quartz Round Dish | AdValue Technology | FQ-4085 | |
CO2 incubator | SANYO | MCO-19AIC | |
CoolCell Freezer Container | Corning | 432000 | foam container designed to regulate temperature decrease |
Cryovial | Thermo Fisher Scientific | 5000-1020 | |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | 472301 | |
Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) | Sigma-Aldrich | D5648 | |
EDX analysis software | Oxford Instruments | AztecSynergy | |
Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) | FEI | 50mm2 X-Max50 SDD | |
Fetal bovine serum (FBS) | Thermo Fisher Scientific Inc. | SH30910 | |
Fluorescence microscope | Nikon | Eclipse Ti | |
Formaldehyde | VWR | 100496-496 | |
Hemacytometer | Hausser Scientific | 3520 | |
ImageJ software | National Institutes of Health and the Laboratory for Optical and Computational Instrumentation (LOCI, University of Wisconsin) | ||
Inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) |
PerkinElmer | Optima 8000 | |
Optical microscope | VWR | VistaVision | |
Penicillin/streptomycin (P/S) | Thermo Fisher Scientific, Inc., | 15070063 | |
pH meter | VWR | model SB70P | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | VWR | 97062-730 | |
Scanning electronic microscope (SEM) | FEI | Nova NanoSEM 450 | |
surgical blade | VWR | 76353-728 | |
Tissue Culture Flasks | VWR | T-75, MSPP-90076 | |
Transwell inserts | Corning | 3460 | |
Trypsin-ethylenediaminetetraacetic acid solution (Trypsin-EDTA) | Sigma-Aldrich | T4049 | |
X-ray diffraction instrument (XRD) | PANalytical | Empyrean Series 2 |