मेसेनकाइमल स्टेम कोशिकाओं से उत्पादित कृत्रिम उपास्थि ऊतक को प्रत्यारोपित करके एंडोकॉन्ड्रल ओसिफिकेशन के माध्यम से अस्थि चिकित्सा में पारंपरिक उपचारों की कमियों को दरकिनार करने की क्षमता है। हाइलूरोनिक एसिड हाइड्रोजेल समान रूप से विभेदित कार्टिलेज ग्राफ्ट को बढ़ाने के साथ-साथ विवो में फ्यूज्ड ग्राफ्ट के बीच वैस्कुलराइजेशन के साथ एकीकृत हड्डी बनाने में प्रभावी हैं।
मेसेनकाइमल स्टेम सेल (एमएससी) का उपयोग करके पारंपरिक हड्डी पुनर्जनन चिकित्सा महत्वपूर्ण आकार से बड़े हड्डी दोषों पर लागू करना मुश्किल है क्योंकि इसमें एंजियोजेनेसिस को प्रेरित करने के लिए एक तंत्र नहीं है। एमएससी से निर्मित कृत्रिम उपास्थि ऊतक को प्रत्यारोपित करना एंडोकॉन्ड्रल ओसिफिकेशन (ईसीओ) के माध्यम से विवो में एंजियोजेनेसिस और हड्डी के गठन को प्रेरित करता है। इसलिए, यह ईसीओ-मध्यस्थता दृष्टिकोण भविष्य में एक आशाजनक हड्डी पुनर्जनन चिकित्सा हो सकती है। इस ईसीओ-मध्यस्थता दृष्टिकोण के नैदानिक अनुप्रयोग का एक महत्वपूर्ण पहलू हड्डी दोष की मरम्मत के लिए प्रत्यारोपित किए जाने वाले पर्याप्त उपास्थि तैयार करने के लिए एक प्रोटोकॉल स्थापित कर रहा है। यह विशेष रूप से एक आकार के ग्राफ्टेड उपास्थि के एकल द्रव्यमान को डिजाइन करने के लिए व्यावहारिक नहीं है जो वास्तविक हड्डी दोष के आकार के अनुरूप है। इसलिए, प्रत्यारोपित किए जाने वाले उपास्थि में हड्डी को अभिन्न रूप से बनाने का गुण होना चाहिए जब कई टुकड़े प्रत्यारोपित किए जाते हैं। हाइड्रोजेल नैदानिक आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए एंडोकॉन्ड्रल ओसिफिकेशन के लिए ऊतक-इंजीनियर ग्राफ्ट को बढ़ाने के लिए एक आकर्षक उपकरण हो सकता है। हालांकि कई स्वाभाविक रूप से व्युत्पन्न हाइड्रोगेल विट्रो में एमएससी उपास्थि गठन और विवो में ईसीओ का समर्थन करते हैं, नैदानिक अनुप्रयोगों की जरूरतों को पूरा करने के लिए इष्टतम मचान सामग्री अभी तक निर्धारित नहीं की गई है। हाइलूरोनिक एसिड (एचए) उपास्थि बाह्य मैट्रिक्स का एक महत्वपूर्ण घटक है और एक बायोडिग्रेडेबल और बायोकंपैटिबल पॉलीसेकेराइड है। यहां, हम दिखाते हैं कि एचए हाइड्रोगेल में एमएससी-आधारित उपास्थि ऊतक के इन विट्रो भेदभाव का समर्थन करने और विवो में एंडोकॉन्ड्रल हड्डी के गठन को बढ़ावा देने के लिए उत्कृष्ट गुण हैं।
आघात, जन्मजात दोषों और शल्य चिकित्सा शोधन के कारण हड्डी के दोषों की मरम्मत के लिए ऑटोलॉगस हड्डी अभी भी स्वर्ण मानक है। हालांकि, ऑटोजेनस हड्डी ग्राफ्टिंग में महत्वपूर्ण सीमाएं हैं, जिनमें दाता दर्द, संक्रमण का जोखिम और सीमित हड्डी की मात्रा शामिल है जिसे रोगियों से अलग किया जा सकता है 1,2,3,4. कई बायोमैटेरियल्स को हड्डी के विकल्प के रूप में विकसित किया गया है, जो कैल्शियम फॉस्फेट या हाइड्रॉक्सीपैटाइट 5,6 जैसे खनिज सामग्री के साथ प्राकृतिक या सिंथेटिक पॉलिमर का संयोजन करते हैं। इन इंजीनियर सामग्रियों में हड्डी का गठन आमतौर पर एक प्राइमिंग सामग्री के रूप में खनिज सामग्री का उपयोग करके प्राप्त किया जाता है ताकि स्टेम कोशिकाओं को इंट्रामेम्ब्रेन ओसिफिकेशन (आईएमओ) प्रक्रिया7 के माध्यम से सीधे ओस्टियोब्लास्ट में अंतर करने की अनुमति मिल सके। इस प्रक्रिया में एंजियोजेनिक चरण का अभाव होता है, जिसके परिणामस्वरूप आरोपण 8,9,10 के बाद ग्राफ्ट के विवो वैस्कुलराइजेशन में अपर्याप्त होता है, और इसलिए, इस तरह की प्रक्रिया का उपयोग करने वाले दृष्टिकोण बड़े हड्डी दोषों के इलाज के लिए इष्टतम नहीं होसकते हैं।
एंडोकॉन्ड्रल ओसिफिकेशन (ईसीओ) प्रक्रिया को पुन: उत्पन्न करने के लिए लागू रणनीतियों, विकास के दौरान स्केलेटोजेनेसिस में एक सहज तंत्र, पारंपरिक आईएमओ-आधारित दृष्टिकोणों से जुड़ी महत्वपूर्ण समस्याओं को दूर करने के लिए दिखाया गया है। ईसीओ में, उपास्थि टेम्पलेट में चोंड्रोसाइट्स संवहनी एंडोथेलियल ग्रोथ फैक्टर (वीईजीएफ) जारी करते हैं, जो संवहनी घुसपैठ और हड्डी12 में उपास्थि टेम्पलेट के रीमॉडेलिंग को बढ़ावा देता है। कार्टिलेज रीमॉडेलिंग और एंजियोजेनेसिस के माध्यम से ओस्टियोजेनेसिस के लिए ईसीओ-मध्यस्थता दृष्टिकोण, जो फ्रैक्चर की मरम्मत के दौरान भी सक्रिय होता है, एक प्राइमिंग सामग्री के रूप में एमएससी से प्राप्त कृत्रिम रूप से बनाए गए उपास्थि ऊतक का उपयोग करता है। चोंड्रोसाइट्स हड्डी के दोषों में हाइपोक्सिया को सहन कर सकते हैं, एंजियोजेनेसिस को प्रेरित कर सकते हैं, और एक संवहनी-मुक्त उपास्थि ग्राफ्ट को एंजियोजेनिक ऊतक में परिवर्तित कर सकते हैं। कई अध्ययनों से पता चला है कि एमएससी-आधारित कार्टिलेज ग्राफ्ट इस तरह के ईसीओ कार्यक्रम 13,14,15,16,17,18,19,20,21 को लागू करके विवो में हड्डी उत्पन्न करते हैं।
इस ईसीओ-मध्यस्थता दृष्टिकोण के नैदानिक अनुप्रयोग के लिए एक आवश्यक आवश्यकता यह है कि नैदानिक सेटिंग में कार्टिलेज ग्राफ्ट की वांछित मात्रा कैसे तैयार की जाए। वास्तविक हड्डी दोष को फिट करने वाले आकार के नैदानिक उपास्थि तैयार करना व्यावहारिक नहीं है। इसलिए, ग्राफ्ट कार्टिलेज को हड्डी का अभिन्न रूप से निर्माण करना चाहिए जब कईटुकड़े प्रत्यारोपित किए जाते हैं। हाइड्रोगेल एंडोकॉन्ड्रल ओसिफिकेशन के लिए ऊतक-इंजीनियर ग्राफ्ट को बढ़ाने के लिए एक आकर्षक उपकरण हो सकता है। कई स्वाभाविक रूप से व्युत्पन्न हाइड्रोगेल विवो 23,24,25,26,27,28,29,30,31,32 में विट्रो और ईसीओ में एमएससी उपास्थि गठन का समर्थन करते हैं; हालांकि, नैदानिक अनुप्रयोग आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए इष्टतम समर्थन सामग्री अनिर्धारित रही है। हाइलूरोनिक एसिड (एचए) एक बायोडिग्रेडेबल और बायोकंपैटिबल पॉलीसेकेराइड है जो कार्टिलेज33 के बाह्य मैट्रिक्स में मौजूद है। एचए चोंड्रोजेनिक भेदभाव 25,26,28,30,31,32,34 का समर्थन करने के लिए सीडी 44 जैसे सतह रिसेप्टर्स के माध्यम से एमएससी के साथ बातचीत करता है। इसके अलावा, एचए स्काफोल्ड्स मानव दंत लुगदी स्टेम कोशिकाओं35 के आईएमओ-मध्यस्थता वाले ओस्टोजेनिक भेदभाव को बढ़ावा देते हैं, और कोलेजन के साथ संयुक्त मचान ईसीओ-मध्यस्थता ओस्टियोजेनेसिस36,37 को बढ़ावा देते हैं।
यहां, हम अस्थि मज्जा-व्युत्पन्न वयस्क मानव एमएससी का उपयोग करके एचए हाइड्रोगेल तैयार करने और विट्रो में हाइपरट्रॉफिक चोंड्रोजेनेसिस के लिए उनके उपयोग और विवो38 में बाद में एंडोकॉन्ड्रल ओसिफिकेशन के लिए एक विधि प्रस्तुत करते हैं। हमने कोलेजन के साथ एचए की विशेषताओं की तुलना की, एमएससी के साथ हड्डी ऊतक इंजीनियरिंग में व्यापक रूप से लागू एक सामग्री और एंडोकॉन्ड्रल ओसिफिकेशन17 के लिए कृत्रिम ग्राफ्ट को स्केल करने के लिए एक उपयोगी सामग्री। एक इम्युनोकॉम्प्रोमाइज्ड माउस मॉडल में, मानव एमएससी के साथ बीजित एचए और कोलेजन संरचनाओं का मूल्यांकन चमड़े के नीचे के आरोपण द्वारा विवो ईसीओ क्षमता में किया गया था। परिणाम बताते हैं कि एचए हाइड्रोगेल कृत्रिम उपास्थि ग्राफ्ट बनाने के लिए एमएससी के लिए एक मचान के रूप में उत्कृष्ट हैं जो ईसीओ के माध्यम से हड्डी के गठन की अनुमति देते हैं।
प्रोटोकॉल को दो चरणों में विभाजित किया गया है। सबसे पहले, हाइलूरोनन हाइड्रोगेल पर बीजित मानव एमएससी के निर्माण तैयार किए जाते हैं और विट्रो में हाइपरट्रॉफिक उपास्थि में विभेदित होते हैं। इसके बाद, विवो में एंडोकॉन्ड्रल ओसिफिकेशन को प्रेरित करने के लिए एक नग्न मॉडल में विभेदित संरचनाओं को चमड़े के नीचे प्रत्यारोपित किया जाता है (चित्रा 1)।
हाइपरट्रॉफिक कार्टिलेज से हड्डी में संक्रमण को बढ़ावा देने वाली उचित पाड़ सामग्री का उपयोग करना एमएससी-आधारित इंजीनियर हाइपरट्रॉफिक कार्टिलेज ग्राफ्ट को बढ़ाने और नैदानिक रूप से महत्वपूर्ण आकार क?…
The authors have nothing to disclose.
इस काम को जापान सोसाइटी फॉर द प्रमोशन ऑफ साइंस (जेएसपीएस) (अनुदान संख्या) से वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए सहायता अनुदान (केकेईएनएचआई) द्वारा समर्थित किया गया था। JP19K10259 और 22K10032 MAI)।
0.25w/v% Trypsin-1mmol/L EDTA.4Na Solution | FUJIFILM Wako Pure Chemical | 209-16941 | |
Antisedan | Nippon Zenyaku Kogyo | ||
ascorbate-2-phosphate | Nacalai Tesque | 13571-14 | |
Bambanker | GC Lymphotec | CS-02-001 | |
basic fibroblastic growth factor | Reprocell | RCHEOT002 | |
bovine serum albumin | FUJIFILM Wako Pure Chemical | 012-23881 | 7.5 w/v% |
Countess Automated Cell Counter with cell counting chamber slides and Trypan Blue stain 0.4% | Invitrogen | C10283 | |
dexamethasone | Merck | D8893 | |
Domitor | Nippon Zenyaku Kogyo | ||
Dormicum | Astellas Pharma | ||
Dulbecco's Modified Eagle Medium | Merck | D6429 | high glucose |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium/Nutrient Mixture F-12 Ham | Merck | D6421 | |
Fetal bovine serum | Hyclone | SH30396.03 | |
Gentamicin sulfate | FUJIFILM Wako Pure Chemical | 1676045 | 10 mg/mL |
Haccpper Generator | TechnoMax | CH-400-5QB | 50 ppm hypochlorous acid water |
Human Mesenchymal Stem Cells | Lonza | PT-2501 | |
HyStem Cell Culture Scaffold Kit | Merck | HYS020 | |
IL-1ß | PeproTech | AF-200-01B | |
ITS-G supplement | FUJIFILM Wako Pure Chemical | 090-06741 | ×100 |
L-Alanyl-L-Glutamine | FUJIFILM Wako Pure Chemical | 016-21841 | 200mmol/L (×100) |
L-proline | Nacalai Tesque | 29001-42 | |
L-Thyroxine | Merck | T1775 | |
MSCGM Mesenchymal Stem Cell Growth Medium BulletKit |
Lonza | PT-3001 | |
paraffin | FUJIFILM Wako Pure Chemical | 165-13375 | |
PBS / pH7.4 100ml | Medicago | 09-2051-100 | |
TGF-β3 | Proteintech | HZ-1090 | |
Vetorphale | Meiji Seika Kaisha | ||
Visiocare Ointment | SAVAVET/SAVA Healthcare | ||
β-glycerophosphate | FUJIFILM Wako Pure Chemical | 048-34332 |