Building blocks of microphysiological system to model physiology and pathophysiology of human heart

Microphysiological systems (MPS) are drawing increasing interest from academia and from biomedical industry due to their improved capability to capture human physiology. MPS offer an advanced in vitro platform that can be used to study human organ and tissue level functions in health and in diseased states more accurately than traditional single cell cultures or even animal models. Key features in MPS include microenvironmental control and monitoring as well as high biological complexity of the target tissue. To reach these qualities, cross-disciplinary collaboration from multiple fields of science is required to build MPS. Here, we review different areas of expertise and describe essential building blocks of heart MPS including relevant cardiac cell types, supporting matrix, mechanical stimulation, functional measurements, and computational modelling. The review presents current methods in cardiac MPS and provides insights for future MPS development with improved recapitulation of human physiology.Peer reviewe

Sähköaktiivisen polypyrrolin vaikutus rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistumiseen ja luun uudismuodostumiseen

Perinteiset luuvaurioiden hoitomenetelmät ovat usein riittämättömiä kriittisen koon luuvaurioiden hoidoissa. Luun kudosteknologia pystyisi tarjoamaan tähän toimivia ja tehokkaita ratkaisuja hyödyntäen kehon omaa parantumiskykyä. Luun kudosteknologiassa käytettäviltä materiaaleilta vaaditaan mekaanista kestävyyttä johtuen luukudoksen tärkeästä roolista kehon tukirankana. Laktidipohjaiset polymeerit ovat yleisesti käytettyjä polymeereja luun kudosteknologiassa, sillä ne ovat mekaanisesti kestäviä, niiden hajoamista kehossa on helppo hallita ja ne on todettu erittäin kudosyhteensopiviksi polymeereiksi. Laktidipohjaiset polymeerit eivät kuitenkaan ole bioaktiivisia ja lisäksi niiden hydrofobisuus haittaa solujen ja kudoksen kiinnittymistä materiaalin pintaan. Polypyrroli(PPy)-pinnoitus on potentiaalinen menetelmä edellä mainittujen ongelmien välttämiseksi, koska sillä on edulliset pintaominaisuudet solujen kiinnittymiselle ja lisäksi siihen voidaan sisällyttää erilaisia bioaktiivisia molekyylejä. PPy on myös redox-aktiivinen, minkä vuoksi sen käyttö sähkövirtaa välittävänä biomateriaalina avaa mielenkiintoisia mahdollisuuksia osteogeenisten solujen stimuloinnissa. PPy:n on todettu olevan potentiaalinen substraatti osteogeenisille soluille, kuten mesenkymaalisille kantasoluille. Mesenkymaalisiin kantasoluihin lukeutuvat rasvan kantasolut ovat yksi potentiaalisimmista solutyypeistä niiden runsaslukuisuuden ja helpon saatavuuden ansiosta. Niitä ei ole kuitenkaan vielä tutkittu PPy:n ja sähköstimulaation yhdistelmässä. Tässä työssä arvioitiin PPy:n mahdollisuudet ihmisen rasvan kantasolujen substraattina luun kudosteknologiassa in vitro ja sekä luun uudismuodostumista edistävänä implantin pinnoitemateriaalina in vivo. Tutkimuksen ensimmäisessä osassa sähkökemiallisesti valmistettu PPy seostettiin kondroitiinisulfaatilla tai hyaluronihapolla ja tutkittiin sen soveltuvuutta pinnoitemateriaaliksi ihmisen rasvan kantasoluille. Tutkimuksen toisessa osassa PPy valmistettiin kemiallisesti kondroitiinisulfaatin läsnäollessa ja tutkittiin sen ominaisuuksia sähköäjohtavana pinnoitteena polylaktidista (PLA) valmistetuissa kuiturakenteissa. Kummassakin in vitro-osatyössä sähköstimulaatiota syötettiin PPy substraattien läpi. Soluvastetta tutkittiin solujen morfologian, elinkyvyn, proliferaation ja luuerilaistumisen kannalta. Tutkimuksen in vivo-osassa luun korjaukseen tarkoitetut kemiallisesti, kondoitiinisulfaatin läsnäollessa pinnoitetut biohajoavat poly(laktidi-co-glykolidi)- β-trikalsiumfosfaatti (PLGA-β-TCP) komposiittiruuvit implantoitiin kanin luukudokseen ja niiden kudosyhteensopivuutta ja vaikutusta uudisluun muodostukseen tutkittiin. Kondroitiinisulfaattiseostettujen PPy-pinnoitteiden (PPy-CS) päällä olevat solut osoittautuivat morfologialtaan hyviksi ja levittäytyivät tasaisesti pitkin pintaa. Sen sijaan hyaluronihapposeostettujen PPy-pinnoitteiden (PPy-HA) päällä olevat solut olivat aggregoituneet ja osittain irrottautuneet pinnasta. Tämä johtui todennäköisimmin PPy-HA-pinnoitteen merkittävästi suuremmasta pintakarheudesta. Solun ulkoisen tilan mineralisaatio oli merkittävästi suurempaa sähköstimuloiduissa PPy-CS-pinnoitteen päällä olevissa soluissa verrattuna vastaavassa ryhmässä olevaan PPy-HA-pinnoitteeseen. Ihmisen rasvan kantasolujen proliferaatio oli merkittävästi suurempaa PPy-pinnoitetuissa PLA kuiturakenteissa verrattuna vastaaviin pinnoittamattomiin rakenteisiin. Sähköstimulaatiolla ei todettu olevan vaikutusta soluihin kummassakaan in vitro-tutkimuksessa verrattuna stimuloimattomiin kontrolleihin. Kovakudoshistologian, digitaalisen röntgenkuvauksen ja tetrasykliinileimauksen perusteella PPy-pinnoitetut biohajoavat ruuvit edistivät merkittävästi uudisluun muodostusta verrattuna vastaaviin pinnoittamattomiin ruuveihin. Lisäksi mitään merkkejä akuuttisesta, systemaattisesta tai kroonisesta toksisuudesta ei havaittu yhdessäkään kanista. Tutkimuksen johtopäätös on, että sähkökemiallisesti valmistettu PPy-CS ja kemiallisesti kondoitiinisulfaatin läsnäollessa valmistettu PPy-pinnoite osoittautuivat sopiviksi substraateiksi ihmisen rasvan kantasoluille niiden morphologian, proliferaation ja luuerilaistumisen perusteella. Tämä osoittaa niiden suuren potentiaalin luun kudosteknologiassa. Kemiallisesti tuotettu PPy-pinnoite todettiin potentiaaliseksi luuimplanttien pinnoitemateriaaliksi myös PLGA-β-TCP-ruuveissa edistäen merkittävästi luun uudismuodostusta in vivo.While conventional bone treatment methods still struggle to address efficient bone regeneration in cases of critical-sized defects, bone tissue engineering could provide functional solutions by exploiting the body’s own healing capacity. Due to the load-bearing nature of bone tissue, high mechanical performance is required of the biomaterials used as scaffold material in bone tissue engineering. Lactide-based polymers are commonly used for this purpose because they have an easily controllable degradation rate and possess mechanical properties with good biocompatibility. However, their lack of bioactivity and their hydrophobic surface properties do not encourage cell and tissue attachment to the scaffold’s surface. For this reason, electroconductive and biocompatible polypyrrole (PPy) provides a potential coating method for scaffolds; it can be incorporated with different bioactive molecules and provides favourable surface properties for cell attachment. In addition, redox activity of PPy in combination with electrical stimulation (ES) provides an interesting stimulation method for osteogenic cells. PPy has been reported to be a potential substrate for osteogenic cell lines, such as mesenchymal stem cells (MSCs). However, human adipose stem cells (hASCs), which are an MSC source of high potential due to their abundance and ease of accessibility, are yet to be explored in this area. Moreover, the effect of PPy on bone regeneration in vivo has not been studied. This work evaluates the potential of PPy as a substrate in bone tissue engineering with hASCs in vitro and as an implant coating in bone regeneration in vivo. In the first part, electrochemically produced PPy, which is doped either with chondroitin sulphate (CS) or hyaluronic acid (HA), is studied as a coating for hASCs. In the second part, PPy is chemically produced in the presence of CS to form a coating on polylactide (PLA) fibre scaffolds that are then studied as a conductive platform for hASCs in vitro. ES is applied through PPy-coated systems in both in vitro studies. The cell response is evaluated by their morphology, viability, proliferation, and osteogenic differentiation. In the in vivo part of the work, chemically PPy-coated and CS-incorporated bioabsorbable poly(lactide-co-glycolide)-β-tricalcium phosphate (PLGA-β-TCP) composite bone fixation screws are implanted into rabbit bone tissue and examined in terms of biocompatibility and new bone formation. The cells showed a good morphology and homogenous spreading on the CS-doped PPy films (PPy-CS), whereas the HA-doped PPy films (PPy-HA) triggered aggregation and a partial detachment of the cells. This was most probably due to the significantly rougher surface morphology of the PPy-HA films. Cells on PPy-CS also showed significantly higher mineralisation in comparison to PPy-HA when applying ES. A PPy-coated PLA scaffold enhances hASC proliferation significantly in comparison to plain PLA scaffolds. The parameters used did not have an effect on cells in either of the in vitro studies in comparison to the unstimulated controls. PPy-coated bioabsorbable screws promoted new bone formation in vivo significantly better than the uncoated screws according to hard tissue histology, micro-computed tomography (micro-CT) and tetracycline labelling. In addition, no signs of acute, systematic or chronic toxicity were found in any of the rabbits. In conclusion, electrochemically produced PPy-CS and chemically produced PPy incorporated with CS provided favourable conditions for hASCs in terms of morphology, proliferation and osteogenic differentiation, implying its great potential for bone tissue engineering applications. The chemically produced PPy coating also proved to be a potential conductive coating material for PLGA-β-TCP screws, promoting significantly greater new bone formation in vivo

Sähköaktiivisen polypyrrolin vaikutus rasvakudoksen kantasolujen luuerilaistumiseen ja luun uudismuodostumiseen

Perinteiset luuvaurioiden hoitomenetelmät ovat usein riittämättömiä kriittisen koon luuvaurioiden hoidoissa. Luun kudosteknologia pystyisi tarjoamaan tähän toimivia ja tehokkaita ratkaisuja hyödyntäen kehon omaa parantumiskykyä. Luun kudosteknologiassa käytettäviltä materiaaleilta vaaditaan mekaanista kestävyyttä johtuen luukudoksen tärkeästä roolista kehon tukirankana. Laktidipohjaiset polymeerit ovat yleisesti käytettyjä polymeereja luun kudosteknologiassa, sillä ne ovat mekaanisesti kestäviä, niiden hajoamista kehossa on helppo hallita ja ne on todettu erittäin kudosyhteensopiviksi polymeereiksi. Laktidipohjaiset polymeerit eivät kuitenkaan ole bioaktiivisia ja lisäksi niiden hydrofobisuus haittaa solujen ja kudoksen kiinnittymistä materiaalin pintaan. Polypyrroli(PPy)-pinnoitus on potentiaalinen menetelmä edellä mainittujen ongelmien välttämiseksi, koska sillä on edulliset pintaominaisuudet solujen kiinnittymiselle ja lisäksi siihen voidaan sisällyttää erilaisia bioaktiivisia molekyylejä. PPy on myös redox-aktiivinen, minkä vuoksi sen käyttö sähkövirtaa välittävänä biomateriaalina avaa mielenkiintoisia mahdollisuuksia osteogeenisten solujen stimuloinnissa. PPy:n on todettu olevan potentiaalinen substraatti osteogeenisille soluille, kuten mesenkymaalisille kantasoluille. Mesenkymaalisiin kantasoluihin lukeutuvat rasvan kantasolut ovat yksi potentiaalisimmista solutyypeistä niiden runsaslukuisuuden ja helpon saatavuuden ansiosta. Niitä ei ole kuitenkaan vielä tutkittu PPy:n ja sähköstimulaation yhdistelmässä. Tässä työssä arvioitiin PPy:n mahdollisuudet ihmisen rasvan kantasolujen substraattina luun kudosteknologiassa in vitro ja sekä luun uudismuodostumista edistävänä implantin pinnoitemateriaalina in vivo. Tutkimuksen ensimmäisessä osassa sähkökemiallisesti valmistettu PPy seostettiin kondroitiinisulfaatilla tai hyaluronihapolla ja tutkittiin sen soveltuvuutta pinnoitemateriaaliksi ihmisen rasvan kantasoluille. Tutkimuksen toisessa osassa PPy valmistettiin kemiallisesti kondroitiinisulfaatin läsnäollessa ja tutkittiin sen ominaisuuksia sähköäjohtavana pinnoitteena polylaktidista (PLA) valmistetuissa kuiturakenteissa. Kummassakin in vitro-osatyössä sähköstimulaatiota syötettiin PPy substraattien läpi. Soluvastetta tutkittiin solujen morfologian, elinkyvyn, proliferaation ja luuerilaistumisen kannalta. Tutkimuksen in vivo-osassa luun korjaukseen tarkoitetut kemiallisesti, kondoitiinisulfaatin läsnäollessa pinnoitetut biohajoavat poly(laktidi-co-glykolidi)- β-trikalsiumfosfaatti (PLGA-β-TCP) komposiittiruuvit implantoitiin kanin luukudokseen ja niiden kudosyhteensopivuutta ja vaikutusta uudisluun muodostukseen tutkittiin. Kondroitiinisulfaattiseostettujen PPy-pinnoitteiden (PPy-CS) päällä olevat solut osoittautuivat morfologialtaan hyviksi ja levittäytyivät tasaisesti pitkin pintaa. Sen sijaan hyaluronihapposeostettujen PPy-pinnoitteiden (PPy-HA) päällä olevat solut olivat aggregoituneet ja osittain irrottautuneet pinnasta. Tämä johtui todennäköisimmin PPy-HA-pinnoitteen merkittävästi suuremmasta pintakarheudesta. Solun ulkoisen tilan mineralisaatio oli merkittävästi suurempaa sähköstimuloiduissa PPy-CS-pinnoitteen päällä olevissa soluissa verrattuna vastaavassa ryhmässä olevaan PPy-HA-pinnoitteeseen. Ihmisen rasvan kantasolujen proliferaatio oli merkittävästi suurempaa PPy-pinnoitetuissa PLA kuiturakenteissa verrattuna vastaaviin pinnoittamattomiin rakenteisiin. Sähköstimulaatiolla ei todettu olevan vaikutusta soluihin kummassakaan in vitro-tutkimuksessa verrattuna stimuloimattomiin kontrolleihin. Kovakudoshistologian, digitaalisen röntgenkuvauksen ja tetrasykliinileimauksen perusteella PPy-pinnoitetut biohajoavat ruuvit edistivät merkittävästi uudisluun muodostusta verrattuna vastaaviin pinnoittamattomiin ruuveihin. Lisäksi mitään merkkejä akuuttisesta, systemaattisesta tai kroonisesta toksisuudesta ei havaittu yhdessäkään kanista. Tutkimuksen johtopäätös on, että sähkökemiallisesti valmistettu PPy-CS ja kemiallisesti kondoitiinisulfaatin läsnäollessa valmistettu PPy-pinnoite osoittautuivat sopiviksi substraateiksi ihmisen rasvan kantasoluille niiden morphologian, proliferaation ja luuerilaistumisen perusteella. Tämä osoittaa niiden suuren potentiaalin luun kudosteknologiassa. Kemiallisesti tuotettu PPy-pinnoite todettiin potentiaaliseksi luuimplanttien pinnoitemateriaaliksi myös PLGA-β-TCP-ruuveissa edistäen merkittävästi luun uudismuodostusta in vivo.While conventional bone treatment methods still struggle to address efficient bone regeneration in cases of critical-sized defects, bone tissue engineering could provide functional solutions by exploiting the body’s own healing capacity. Due to the load-bearing nature of bone tissue, high mechanical performance is required of the biomaterials used as scaffold material in bone tissue engineering. Lactide-based polymers are commonly used for this purpose because they have an easily controllable degradation rate and possess mechanical properties with good biocompatibility. However, their lack of bioactivity and their hydrophobic surface properties do not encourage cell and tissue attachment to the scaffold’s surface. For this reason, electroconductive and biocompatible polypyrrole (PPy) provides a potential coating method for scaffolds; it can be incorporated with different bioactive molecules and provides favourable surface properties for cell attachment. In addition, redox activity of PPy in combination with electrical stimulation (ES) provides an interesting stimulation method for osteogenic cells. PPy has been reported to be a potential substrate for osteogenic cell lines, such as mesenchymal stem cells (MSCs). However, human adipose stem cells (hASCs), which are an MSC source of high potential due to their abundance and ease of accessibility, are yet to be explored in this area. Moreover, the effect of PPy on bone regeneration in vivo has not been studied. This work evaluates the potential of PPy as a substrate in bone tissue engineering with hASCs in vitro and as an implant coating in bone regeneration in vivo. In the first part, electrochemically produced PPy, which is doped either with chondroitin sulphate (CS) or hyaluronic acid (HA), is studied as a coating for hASCs. In the second part, PPy is chemically produced in the presence of CS to form a coating on polylactide (PLA) fibre scaffolds that are then studied as a conductive platform for hASCs in vitro. ES is applied through PPy-coated systems in both in vitro studies. The cell response is evaluated by their morphology, viability, proliferation, and osteogenic differentiation. In the in vivo part of the work, chemically PPy-coated and CS-incorporated bioabsorbable poly(lactide-co-glycolide)-β-tricalcium phosphate (PLGA-β-TCP) composite bone fixation screws are implanted into rabbit bone tissue and examined in terms of biocompatibility and new bone formation. The cells showed a good morphology and homogenous spreading on the CS-doped PPy films (PPy-CS), whereas the HA-doped PPy films (PPy-HA) triggered aggregation and a partial detachment of the cells. This was most probably due to the significantly rougher surface morphology of the PPy-HA films. Cells on PPy-CS also showed significantly higher mineralisation in comparison to PPy-HA when applying ES. A PPy-coated PLA scaffold enhances hASC proliferation significantly in comparison to plain PLA scaffolds. The parameters used did not have an effect on cells in either of the in vitro studies in comparison to the unstimulated controls. PPy-coated bioabsorbable screws promoted new bone formation in vivo significantly better than the uncoated screws according to hard tissue histology, micro-computed tomography (micro-CT) and tetracycline labelling. In addition, no signs of acute, systematic or chronic toxicity were found in any of the rabbits. In conclusion, electrochemically produced PPy-CS and chemically produced PPy incorporated with CS provided favourable conditions for hASCs in terms of morphology, proliferation and osteogenic differentiation, implying its great potential for bone tissue engineering applications. The chemically produced PPy coating also proved to be a potential conductive coating material for PLGA-β-TCP screws, promoting significantly greater new bone formation in vivo

Novel Polypyrrole-Coated Polylactide Scaffolds Enhance Adipose Stem Cell Proliferation and Early Osteogenic Differentiation

An electrically conductive polypyrrole (PPy) doped with a bioactive agent is an emerging functional biomaterial for tissue engineering. We therefore used chondroitin sulfate (CS)-doped PPy coating to modify initially electrically insulating polylactide resulting in novel osteogenic scaffolds. In situ chemical oxidative polymerization was used to obtain electrically conductive PPy coating on poly-96L/4D-lactide (PLA) nonwoven scaffolds. The coated scaffolds were characterized and their electrical conductivity was evaluated in hydrolysis. The ability of the coated and conductive scaffolds to enhance proliferation and osteogenic differentiation of human adipose stem cells (hASCs) under electrical stimulation (ES) in three-dimensional (3D) geometry was compared to the noncoated PLA scaffolds. Electrical conductivity of PPy-coated PLA scaffolds (PLA-PPy) was evident at the beginning of hydrolysis, but decreased during the first week of incubation due to de-doping. PLA-PPy scaffolds enhanced hASC proliferation significantly compared to the plain PLA scaffolds at 7 and 14 days. Furthermore, the alkaline phosphatase (ALP) activity of the hASCs was generally higher in PLA-PPy seeded scaffolds, but due to patient variation, no statistical significance could be determined. ES did not have a significant effect on hASCs. This study highlights the potential of novel PPy-coated PLA scaffolds in bone tissue engineering

The Bulletin of the Philadelphia County Dental Society

Polypyrrole (PPy) has gained interest as an implant material due to its multifunctional properties and its high compatibility with several cell and tissue types. For the first time, the biocompatibility and osteointegration of PPy coating, incorporated with chondroitin sulfate (CS), were studied in vivo by implanting PPy-coated bioabsorbable bone fixation composite screws of poly-(lactide/glycolide) copolymer (PLGA) and β-tricalcium phosphate (TCP) into New Zealand white rabbits. Uncoated bioabsorbable polymer composite screws and commercially available stainless steel cortical screws were used as reference implants. The rabbits were euthanized 12 and 26 weeks after the implantation. The systemic effects were evaluated from food and water consumption, body weight, body temperature, clinical signs, blood samples, internal organ weights, and histological examination. Local effects were studied from bone tissue and surrounding soft tissue histology. New bone formation was evaluated by micro-computed tomography, tetracycline labeling and torsion tests. Torsion tests were performed in order to capture the peak value of the torsion force during the course of the screw\u27s loosening. The coated screws induced significantly more bone formation than the uncoated screws. In addition, none of the implants induced any systemic or local toxicity. The results suggest that PPy is biocompatible with bone tissue and is a potential coating for enhancing osteointegration in orthopedic implants