Design of a laboratory bioreactor for engineering articular cartilage based on 3D printed nasal septum-like scaffolds

«Η εκφύλιση των χόνδρων είναι μια σοβαρή πάθηση που επηρεάζει μεγάλο μέρος του πληθυσμού σε όλο το ηλικιακό φάσμα. Επί του παρόντος χρησιμοποιούνται διάφορες τεχνικές αποκατάστασης για μικρής έκτασης βλάβες όπως η αρθροπλαστική απόξεσης και ο υποχονδρικός τρυπανισμός, οι οποίες δεν μπορούν να επιδιορθώσουν βλάβες μεγαλύτερης έκτασης. Η Αναγεννητική Ιατρική προωθεί την Μηχανική Ιστών στο προσκήνιο των σύγχρονων μηχανικών τεχνικών, συνδυάζοντας καινοτόμα βιοσυμβατά υλικά, νέες μεθόδους μηχανικής ιστών όπως η τεχνολογία 3D εκτύπωσης και βιοδιαδικασίες που αποσκοπούν στην δημιουργία ποιοτικών μοσχευμάτων για εκτεταμένες βλάβες των χόνδρων. Κατάλληλο κυτταρικό περιβάλλον για δημιουργία ιστών μπορεί να επιτευχθεί με την ανάπτυξη αυτών των μοσχευμάτων σε βιοαντιδραστήρες. O κάθε βιοαντιδραστήρας χρησιμοποιεί διαφορετικές αρχές καλλιέργειας, και ορισμένοι από αυτούς όπως οι μικτού τύπου και οι βιοαντιδραστήρες διαπότισης επιστρατεύουν την άσκηση μηχανικών δυνάμεων επί του ικριώματος ώστε να επιτευχθεί μεγάλη κυτταρική πυκνότητα και ενισχυμένες μηχανικές ιδιότητες που οδηγούν στην δημιουργία καλύτερης ποιότητας χόνδρου. Αυτές οι ιδιαιτερότητες των βιοαντιδραστήρων μπορούν να αποτελέσουν εφαλτήριο κατασκευής εργαστηριακών βιοαντιδραστήρων, για την καλλιέργεια 3D εκτυπωμένων ρινικών διαφραγμάτων ως ένα λειτουργικό παράδειγμα υαλώδους χόνδρου».Cartilage degeneration is a severe disease affecting a significant part of the population at all ages. Various treatment modalities are currently used for small-sized cartilage defects, such as abrasion arthroplasty and subchondral drilling, but fail to repair larger-scale damages. Regenerative Medicine pushes Tissue Engineering (TE) to the forefront of modern engineering techniques combining novel biocompatible materials, new tissue engineering methods, like 3D printing technology and bioprocesses trying to create quality transplants for large cartilage defects. The appropriate cell environment for engineered tissues can be achieved through growth of the tissue-engineered constructs into bioreactors. Each bioreactor uses different principles for culturing processes, and some of them mostly mixed and perfusion bioreactors, use different kind of mechanical forces on the scaffold to achieve high cell densities, enhanced mechanical properties leading to better quality of engineered cartilage. These advantageous particularities can be used to create a laboratory bioreactor design, for culturing 3D printed nasal septum cartilage as a working example of hyaline cartilage

Translational research for nasal septum cartilage regeneration with chondrocytes derived from differentiated human adipose mesenchymal stem cells

Η εργασία αφορά στη μεταφραστική έρευνα ιστοτεχνολογίας και συγκεκριμένα στη δημιουργία ανθρώπινου ρινικού διαφράγματος με τη χρήση ηλεκτρονικά υποβοηθούμενου σχεδιασμού και τρισδιάστατης εκτύπωσης τρισδιάστατου (3D) πορώδους ικριώματος χιτοζάνης/ζελατίνης (CAD/CAM). Το ικρίωμα θα χρησιμοποιηθεί για να αποικιστεί από χρονδροκύτταρα που προκύπτουν από διαφοροποιημένα μεσεγχυματικά κύτταρα ανθρώπου προερχόμενα από λιπώδη ιστό (Adipose Tissue Mesenchymal Stem Cells-AD- MSCs). Η όλη διαδικασία επιτυγχάνεται με τη χρήση βιοαντιδραστήρα.Τα μεσεγχυματικά κύτταρα είναι πολυδύναμα βλαστοκύτταρα που μπορούν να απομονωθούν από το μυελό των οστώνκαι το λιπώδη ιστό. Τα κύτταρα αυτά έχουν τη δυνατότητα να διαφοροποιούνται, υπό εργαστηριακές συνθήκες, σε οστεοκύτταρα, χονδροκύτταρα, και λιποκύτταρα. Στην παρούσα μελέτη ανθρώπινα μεσεγχυματικά κύτταρα απομονώθηκαν από λιπώδη ιστό και καλλιεργήθηκαν in vitro. Η έκφραση των αντιγόνων επιφανείας CD90, CD73, σε συνδυασμό με την απουσία του μάρτυρα CD45 επιβεβαιώνουν την επιτυχή απομόνωση μεσεγχυματικών βλαστικών κυττάρων, με χρήση κυτταρομετρίας ροής. Έπειτα από 21 ημέρες από την επαγωγή στοχευόμενης διαφοροποίησης τα βλαστοκύτταρα διαφοροποιήθηκαν σε χονδροκύτταρα και χαρακτηρίστηκαν ιστολογικά με χρώση κυανού της τολουιδίνης και μοριακά με RTPCR για δείκτες διαφοροποίησης όπως η αγκρεκάνη. Με τη χρήση του τρισδιάστατου εκτυπωτή δημιουργήθηκε υπό κλίμακα ικρίωμα ρινικού χόνδρου από PLA. Η διαδικασία θα ολοκληρωθεί με την εκτύπωση του υπό διερεύνηση υλικού χιτοζάνης/ζελατίνης σε 3D ικρίωμα και αφού εμποτιστεί με χονδροκύτταρα θα μεταφερθεί στον βιοαντιδραστήρα.Mesenchymal stem cells (MSCs) are multipotent cells isolated from various tissues, mainly from the bone marrow and adipose tissue. Their ability to differentiate into osteoblasts, chondrocytes or adipocytes renders them a promising clinical tool for injury repair and tissue regeneration. In the current study, MSCs were isolated from human adipose tissue (hAD-MSCs) and were triggered to differentiate into chondrocytes in vitro. Expression of mesenchymal stem cell markers, such as CD90 and CD73, in combination with the absence of hematopoietic markers, such as CD45, proves via flow cytometry the successful isolation of MSCs. Histologic staining with Toluidine blue and real time PCR analysis for the expression of the chondrogenic marker aggrecan (ACAN) verified the successful chondrogenic differentiation of AD-MSCs. Using Poly Lactic-Acid as scaffolding material, a three-dimensional scaffold with customized architecture, controlled porosity and interconnected porous structure was fabricated using 3D printing. The produced scaffold represents the morphology of the nasal septum cartilage. We aspire, to see this scaffold with the differentiated chondrocytes and culture the complex under the appropriate micoenvironmental conditions of a bioreactor system in order to regenerate a potential cartilage transplant. This in vitro study expands the potentials of human AD-MSCs to be used in clinic for alleviation of cartilage defects and tissue engineering in Greece and worldwide