scholarly journals In Vitro Cartilage Regeneration with a Three-Dimensional Polyglycolic Acid (PGA) Implant in a Bovine Cartilage Punch Model

2021 ◽  
Vol 22 (21) ◽  
pp. 11769
Author(s):  
Victoria Horbert ◽  
Long Xin ◽  
Peter Föhr ◽  
René Huber ◽  
Rainer H. Burgkart ◽  
...  

Resorbable polyglycolic acid (PGA) chondrocyte grafts are clinically established for human articular cartilage defects. Long-term implant performance was addressed in a standardized in vitro model. PGA implants (+/− bovine chondrocytes) were placed inside cartilage rings punched out of bovine femoral trochleas (outer Ø 6 mm; inner defect Ø 2 mm) and cultured for 84 days (12 weeks). Cartilage/PGA hybrids were subsequently analyzed by histology (hematoxylin/eosin; safranin O), immunohistochemistry (aggrecan, collagens 1 and 2), protein assays, quantitative real-time polymerase chain reactions, and implant push-out force measurements. Cartilage/PGA hybrids remained vital with intact matrix until 12 weeks, limited loss of proteoglycans from “host” cartilage or cartilage–PGA interface, and progressively diminishing release of proteoglycans into the supernatant. By contrast, the collagen 2 content in cartilage and cartilage–PGA interface remained approximately constant during culture (with only little collagen 1). Both implants (+/− cells) displayed implant colonization and progressively increased aggrecan and collagen 2 mRNA, but significantly decreased push-out forces over time. Cell-loaded PGA showed significantly accelerated cell colonization and significantly extended deposition of aggrecan. Augmented chondrogenic differentiation in PGA and cartilage/PGA-interface for up to 84 days suggests initial cartilage regeneration. Due to the PGA resorbability, however, the model exhibits limitations in assessing the “lateral implant bonding”.

2019 ◽  
Vol 2019 ◽  
pp. 1-12 ◽  
Author(s):  
Yan Wang ◽  
Min Li ◽  
Pei Li ◽  
Haijun Teng ◽  
Dehong Fan ◽  
...  

Patients with bone and cartilage defects due to infection, tumors, and trauma are quite common. Repairing bone and cartilage defects is thus a major problem for clinicians. Autologous and artificial bone transplantations are associated with many challenges, such as limited materials and immune rejection. Bone and cartilage regeneration has become a popular research topic. Inorganic polyphosphate (polyP) is a widely occurring biopolymer with high-energy phosphoanhydride bonds that exists in organisms from bacteria to mammals. Much data indicate that polyP acts as a regulator of gene expression in bone and cartilage tissues and exerts morphogenetic effects on cells involved in bone and cartilage formation. Exposure of these cells to polyP leads to the increase of cytokines that promote the differentiation of mesenchymal stem cells into osteoblasts, accelerates the osteoblast mineralization process, and inhibits the differentiation of osteoclast precursors to functionally active osteoclasts. PolyP-based materials have been widely reported in in vivo and in vitro studies. This paper reviews the current cellular mechanisms and material applications of polyP in bone and cartilage regeneration.


PLoS ONE ◽  
2021 ◽  
Vol 16 (7) ◽  
pp. e0253149
Author(s):  
Narihiko Hirano ◽  
Hirohisa Kusuhara ◽  
Yu Sueyoshi ◽  
Takeshi Teramura ◽  
Ananth Murthy ◽  
...  

A major obstacle for tissue engineering ear-shaped cartilage is poorly developed tissue comprising cell-scaffold constructs. To address this issue, bioresorbable scaffolds of poly-ε-caprolactone (PCL) and polyglycolic acid nanofibers (nanoPGA) were evaluated using an ethanol treatment step before auricular chondrocyte scaffold seeding, an approach considered to enhance scaffold hydrophilicity and cartilage regeneration. Auricular chondrocytes were isolated from canine ears and human surgical samples discarded during otoplasty, including microtia reconstruction. Canine chondrocytes were seeded onto PCL and nanoPGA sheets either with or without ethanol treatment to examine cellular adhesion in vitro. Human chondrocytes were seeded onto three-dimensional bioresorbable composite scaffolds (PCL with surface coverage of nanoPGA) either with or without ethanol treatment and then implanted into athymic mice for 10 and 20 weeks. On construct retrieval, scanning electron microscopy showed canine auricular chondrocytes seeded onto ethanol-treated scaffolds in vitro developed extended cell processes contacting scaffold surfaces, a result suggesting cell-scaffold adhesion and a favorable microenvironment compared to the same cells with limited processes over untreated scaffolds. Adhesion of canine chondrocytes was statistically significantly greater (p ≤ 0.05) for ethanol-treated compared to untreated scaffold sheets. After implantation for 10 weeks, constructs of human auricular chondrocytes seeded onto ethanol-treated scaffolds were covered with glossy cartilage while constructs consisting of the same cells seeded onto untreated scaffolds revealed sparse connective tissue and cartilage regeneration. Following 10 weeks of implantation, RT-qPCR analyses of chondrocytes grown on ethanol-treated scaffolds showed greater expression levels for several cartilage-related genes compared to cells developed on untreated scaffolds with statistically significantly increased SRY-box transcription factor 5 (SOX5) and decreased interleukin-1α (inflammation-related) expression levels (p ≤ 0.05). Ethanol treatment of scaffolds led to increased cartilage production for 20- compared to 10-week constructs. While hydrophilicity of scaffolds was not assessed directly in the present findings, a possible factor supporting the summary data is that hydrophilicity may be enhanced for ethanol-treated nanoPGA/PCL scaffolds, an effect leading to improvement of chondrocyte adhesion, the cellular microenvironment and cartilage regeneration in tissue-engineered auricle constructs.


2013 ◽  
Vol 815 ◽  
pp. 345-349 ◽  
Author(s):  
Ching Wen Hsu ◽  
Ping Liu ◽  
Song Song Zhu ◽  
Feng Deng ◽  
Bi Zhang

Here we reported a combined technique for articular cartilage repair, consisting of bone arrow mesenchymal stem cells (BMMSCs) and poly (dl-lactide-co-glycolide-b-ethylene glycol-b-dl-lactide-co-glycolide) (PLGA-PEG-PLGA) triblock copolymers carried with tissue growth factor (TGF-belat1). In the present study, BMMSCs seeded on PLGA-PEG-PLGA with were incubated in vitro, carried or not TGF-belta1, Then the effects of the composite on repair of cartilage defect were evaluated in rabbit knee joints in vivo. Full-thickness cartilage defects (diameter: 5 mm; depth: 3 mm) in the patellar groove were either left empty (n=18), implanted with BMMSCs/PLGA (n=18), TGF-belta1 modified BMMSCs/PLGA-PEG-PLGA. The defect area was examined grossly, histologically at 6, 24 weeks postoperatively. After implantation, the BMMSCs /PLGA-PEG-PLGA with TGF-belta1 group showed successful hyaline-like cartilage regeneration similar to normal cartilage, which was superior to the other groups using gross examination, qualitative and quantitative histology. These findings suggested that a combination of BMMSCs/PLGA-PEG-PLGA carried with tissue growth factor (TGF-belat1) may be an alternative treatment for large osteochondral defects in high loading sites.


Author(s):  
Jing Jing Yang ◽  
Jian Fang Liu ◽  
Takayuki Kurokawa ◽  
Nobuto Kitamura ◽  
Kazunori Yasuda ◽  
...  

Hydrogels are used as scaffolds for tissue engineering in vitro & in vivo because their three-dimensional network structure and viscoelasticity are similar to those of the macromolecular-based extracellular matrix (ECM) in living tissue. Especially, the synthetic hydrogels with controllable and reproducible properties were used as scaffolds to study the behaviors of cells in vitro and implanted test in vivo. In this review, two different structurally designed hydrogels, single-network (SN) hydrogels and double-network (DN) hydrogels, were used as scaffolds. The behavior of two cell types, anchorage-dependent cells and anchorage-independent cells, and the differentiation behaviors of embryoid bodies (EBs) were investigated on these hydrogels. Furthermore, the behavior of chondrocytes on DN hydrogels in vitro and the spontaneous cartilage regeneration induced by DN hydrogels in vivo was examined.


2020 ◽  
Vol 20 (10) ◽  
pp. 6173-6179
Author(s):  
Xue Liu ◽  
Xiao-Ling Yang ◽  
Qiao Hu ◽  
Mao-Shi Liu ◽  
Tao Peng ◽  
...  

Making osteoblast migration manageably target to injury sites has been the key challenging in cell therapy for bone and cartilage regeneration. Superparamagnetic materials, the magnetic guide for cell migration, have been applied to increase cell retention. However, additional targeting modifications are still needed to accelerate the low uptake efficiency and moving speed. Arg-Gly-Asp peptide (RGD)-functionalized magnetic nanoparticles showed cutting-edge competence in cell differentiation control and targeted drug delivery. However, more evidence was required to corroborate its role in osteoblast migration in bone repair. In the present study, RGD-modified γ-Fe2O3 nanoparticles (RGD-Fe2O3 NPs) were prefabricated with the grafting ratio of 33.3–37.4%. The RGD-Fe2O3 NPs unveiled excellent water dispersibility with uniform size distribution at 5–6 nm and negligibly low cytotoxicity. As a result, MC3T3-E1 osteoblasts treated with RGD-Fe2O3 NPs boosted its migration speed in a magnetic field compared with those incubated with unmodified Fe2O3 NPs. Furthermore, osteoblasts treated with RGD-Fe2O3 NPs exhibited more Fe uptake. The results exposed the fact that RGD-mediated specific cellular uptake presented higher efficiency than the non-RGD-mediated one, resulting from a stronger superparamagnetic force between the labeled cells and the magnetic field. These findings indicate that the RGD-functionalized Fe2O3 NPs can promote osteoblast migration in the magnetic field, providing a promising strategy in magnet-guided cell therapy for bone and cartilage regeneration.


2013 ◽  
Vol 15 (3) ◽  
pp. R59 ◽  
Author(s):  
David Pretzel ◽  
Stefanie Linss ◽  
Hannes Ahrem ◽  
Michaela Endres ◽  
Christian Kaps ◽  
...  

2014 ◽  
Author(s):  
Ελευθέριος Μακρής

Ο αρθρικός και ο ινώδης χόνδρος έχουν περιορισμένη ικανότητα αναγέννησης μετά από τραυματικές κακώσεις και παθήσεις των αρθρώσεων. Δεδομένου του κριτικού ρόλου των ιστών αυτών στην προστασία των αρθρικών οστικών δομών και στην εξασφάλιση σταθερών λειτουργικών αρθρώσεων, η ανάπτυξη μεθόδων που προάγουν την αναγέννηση ή / και την επιδιορθώση των ιστών αυτών ειναι εξαιρετικά σημαντική. Η επιστήμη της ανάπτυξης μηχανικών ιστών παρέχει σήμερα εξαιρετικές προοπτικές στη θεραπεία των εκφυλισμένων και παθολογικών χόνδρινων ιστών. Και ενώ μεγάλη πρόοδος έχει επιτευχθεί πρόσφατα ως προς την ανάπτυξη νεοχόνδρινων ιστών με θλιπτικές μηχανικές ιδιότητες ανάλογες των φυσικών ιστών, ωστόσο οι ιδιότητες εφελκυσμού των νεοϊστών ειναι συγκριτικά υποδιαίστερες. Ως εκ τούτου, η ανάγκη ανάπτυξης νέων βελτιωμένων μεθόδων για να δημιουργία λειτουργικών νεοϊστών και την αποτελεσματική αντιμετώπιση των περίπου 46.4 εκατομμυρίων ασθένών που υποφέρουν σήμερα από αρθρίτιδα μόνο στις Ηνωμένες Πολιτείες, καθίσταται ιδιαίτερα επιτακτική.Δεδομένης της προόδου που έχει επιτευχθεί την τελευταία δεκαετία στην ανάπτυξη μηχανικών χόνδρινων ιστών, η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει τρεις γενικούς στόχους: 1) τη διερεύνηση νέων μοριακών/βιολογικών μεθόδων αναγέννησης του αρθρικού χόνδρου σε in vitro και in vivo πειραματικά μοντέλα χόνδρινων βλαβών και οστεοαρθρίτιδας, 2) την ανάπτυξη ή/και βελτίωση μεθόδων αναγέννησης νεοχόνδρινών ιστών με ευρεία κλινική εφαρμογή, και 3) την ανάπτυξη μεθόδων βιολογικής και μηχανικής ωρίμανσης των νεοϊστών και μεθόδων ενσωμάτωσης τους με το φυσικό ιστό μετά απο μεταμόσχευση. Για την επίτευξη των στόχων αυτών, η παρούσα διατριβή περιγράφει την διερεύνηση νέων εξωγενών βιολογικών παραγόντων για την ανάπτυξη μηχανικών νεοϊστών με δομική οργάνωση ανάλογης των αντίστοιχων φυσικών ιστών. Αρχικά, μελετήθηκε η χρήση του χαλκού και της υδροξυλυσίνης, δύο σημαντικών μεσολαβητών της φυσιολογικής διαδικασίας ανάπτυξης διασταυρώμενων δέσμών κολλαγόνου, για την ενίσχυση της περιεκτικότητας των διασταυρώμενων δεσμών κολλαγόνου στους μηχανικούς ιστούς. Αναλόγως, σε μια διαφορετική μελέτη διερευνήθηκε η in vitro καλλιέργεια φυσικών μυοσκελετικών ιστών και μηχανικών νεοϊστών σε υποξικό περιβάλλον, με στόχο την ενίσχυση της περιεκτικότητάς τους σε διασταυρώμενους δεσμούς κολλαγόνου, και ως εκ τούτου, τη βελτίωση των λειτουργικών τους ιδιοτήτων. Λαμβάνοντας υπόψη την εκταινώς περιγεγραμένη στη βιβλιογραφία θετική συσχέτιση μεταξύ της περιεκτικότητας διασταυρούμενων δεσμών κολλαγόνου και εφελκυστικών μηχανικών ιδιοτήτων των νεοϊστών, μελετήθηκε μία νέα μέθοδος για την αύξηση αυτών των διασταυρούμενων δεσμών κολλαγόνου βασιζόμενη στην εξωγενή χορήγηση του ενζύμου λυσυλική οξειδάση (LOX) κατά τη καλλιέργεια των νεοϊστών, με απώτερο στόχο την περαιτέρω ενισχυση των λειτουργικών τους ιδιοτήτων.Άλλες μελέτες της παρούσας διατριβής επικεντρώνονται στην ανάπτυξη μεθόδων ενίσχυσης της περιεκτικότητας των μηχανικών ιστών σε κολλαγόνο, που όταν συνδυάζονται με τις τεχνικές ενίσχυσης των διασταυρούμενων δεσμών κολλαγόνου θα μπορούσαν να βελτιώσουν περαιτερώ την μηχανική ωρίμανση των νεοϊστών για την αποτελεσματική αποκατάσταση χόνδρινών ελλειμάτων σε πειραματικά μοντέλα αρθρικών παθήσεων. Ειδικότερα, δύο παράγοντες που είναι γνωστοί ρυθμιστές της ενδοκυτταρικής σηματοδότησης του Ca2+ (η διγοξίνη και η τριφωσφορική αδενοσίνη), εξετάστηκαν ως εναλλακτικές μέθοδοι για τη μηχανική βελτίωση των ιστών μέσω αύξησης της περιεκτικότητάς τους σε κολλαγόνο και σε διασταυρούμενους δεσμούς κολλαγόνου. Επιπλέον, ανάλογες μελέτες επικεντρώθηκαν στην βελτίωση μιας θεραπευτικής αγωγής που περιλαμβάνει το βιοφυσικό παράγοντα χονδροϊτινάση-ABC (C-ABC) και τον βιοχημικό παράγοντα αυξητικό παράγοντα μετασχηματισμού -β1 (ΤGF-β1) με στόχο πάλι την ενισχύση τών λειτουργικών ιδιοτήτων των νεοχόνδρινων ιστών. Μια διαφορετική μελέτη εξέτασε την ικανότητα της εμβιομηχανικής διέγερσης με τη μορφή παθητικής αξονικής θλιπτικής φόρτισης να συμβάλλει σε in vitro ανάπτυξη νεοχόνδρινών ιστών με προδιαγεγραμμένο σχήμα/αρχιτεκτονική. Τέλος, μια πρόσθετη μελέτη διερεύνησε την χρήση χονδροκυττάρων απο την ποδοκνημική άρθρωση για την κατασκευή νεοχόνδρινων μοσχευμάτων προοριζόμενων για την βλάβες της ποδοκνημικής άρθρωσης.Καταλεικτικά, η παρούσα διατριβή διερεύνησε τη δυνατότητα ενσωμάτωσης του νεοχόνδρινου με τον φυσικό ιστό μέσω της εξωγενούς χορήγησης του ενζύμου LOX. Μια αρχική μελέτη διερεύνησε τη δυνατότητα του LOX να προώθηση της ενσωμάτωσης μεταξύ του νεοχόνδρου και του φυσικού αρθρικού χόνδρου σε in vitro περιβάλλον καλλιέργειας των ιστών. Ελπιδοφόρα αποτελέσματα αυτής της μέλετης οδήγησαν σε συνδυασμό του ενζύμου LOX με τους παράγοντες C-ABC και ΤGF-β1 με στόχο την ταυτόχρονη ενίσχυση της ωρίμανσης του νεοχόνδρου και τη ενσωμάτωση του με τον φυσικό αρθρικό χόνδρο. Ειδικότερα, ο συνδυασμός των παραγόντων αυτών εφαρμόστηκε πρώτα σε ένα in vitro μοντέλο ενσωμάτωσης των δύο ιστών, και στη συνέχεια σε ένα πειραματικό ζωικό μοντέλο για τη διερεύνηση της ικανότητας του in νίνο περιβάλλοντος να ενισχύσει περαιτέρω της βιολογική αυτή διεργασία.Σε γενικές γραμμές, η σειρά των μελετών που περιγράφονται στην παρούσα διατριβή αντιπροσωπεύουν πρωτοπόρες και δυνητικώς κλινικά εφαρμόσιμες μοριακές μεθόδους για την ενίσχυση των λειτουργικών ιδιοτήτων ενός μεγάλου φάσματος κολλαγόνων ιστών και νεοϊστών. Συγκεκριμένα, ο χαλκός, η ενδογενής παραγώγη του ενζύμου LOX μέσω της καλλιεργειας των ιστών σε υποξίκό περιβάλλον, και η εξωγενή χορήγηση του LOX βελτιώνουν τις μηχανικές ιδιότητες των μηχανικών ιστών αναδεικνύοντας την ικανότητα στόχευσης της αύξησης των διαστραυρούμενων δεσμών κολλαγόνου για την ανάπτυξη βιομιμητικών και μηχανικά ισχυρών νεοχονδρινών ιστών. Εναλλακτικά, η διγοξίνη, η τριφωσφορική αδενοσίνη, ο C-ABC, ο ΤGF -β1, και η στατική εφαρμογή βάρους αποτελουν αποτελεσματικές μεθόδους για την ενίσχυση του κολλαγόνου και την αυξηση των διαστραυρούμενων δεσμών κολλαγόνου στους νεοϊστούς. Τέλος, η εξωγενής χορήγηση του LOX, μονομερώς ή σε συνδυασμό με τους παράγοντες C-ABC και ΤGF -β1, βρέθηκε να προάγει την in vitro και in vivo ωρίμανση των νεοϊστών και την ενσωμάτωση τους με το φυσικό ιστό, αντανακλώντας την πολλά υπόσχόμενη συνδιαστική χρήση των παραγόντων αυτών για την θεραπευτική αντιμετώπιση χόνδρινων βλαβών in νίνο. Συνολικά, οι μελέτες που περιγράφονται στην παρούσα διατριβή αποτελούν μια επισκόπηση διαφορετικών και πολλά υποσχόμενων νέων τεχνολογιών με στόχο 1) την ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων των φυσικών ιστών και νεοϊστών, και 2) την ενίσχυση των δυνατοτήτων τους να ενσωματώνονται in vitro, υπογραμμίζοντας τη δυνατότητα για εφαρμογή των τεχνολογιών αυτών στη ανάπτυξη κλινικά λειτουργικών νεοϊστών για την επιδιόρθωση και / ή αντικατάσταση των ιστών που έχουν καταστραφεί από τραυματισμό ή ασθένεια.


2021 ◽  
Vol 13 (1) ◽  
Author(s):  
Yunsheng Dong ◽  
Yufei Liu ◽  
Yuehua Chen ◽  
Xun Sun ◽  
Lin Zhang ◽  
...  

AbstractHydrogels have been extensively favored as drug and cell carriers for the repair of knee cartilage defects. Recruiting mesenchymal stem cells (MSCs) in situ to the defect region could reduce the risk of contamination during cell delivery, which is a highly promising strategy to enhance cartilage repair. Here, a cell-free cartilage tissue engineering (TE) system was developed by applying an injectable chitosan/silk fibroin hydrogel. The hydrogel system could release first stromal cell-derived factor-1 (SDF-1) and then kartogenin (KGN) in a unique sequential drug release mode, which could spatiotemporally promote the recruitment and chondrogenic differentiation of MSCs. This system showed good performance when formulated with SDF-1 (200 ng/mL) and PLGA microspheres loaded with KGN (10 μΜ). The results showed that the hydrogel had good injectability and a reticular porous structure. The microspheres were distributed uniformly in the hydrogel and permitted the sequential release of SDF-1 and KGN. The results of in vitro experiments showed that the hydrogel system had good cytocompatibility and promoted the migration and differentiation of MSCs into chondrocytes. In vivo experiments on articular cartilage defects in rabbits showed that the cell-free hydrogel system was beneficial for cartilage regeneration. Therefore, the composite hydrogel system shows potential for application in cell-free cartilage TE.


Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document