The influence of chemical composition and surface conditions of bioactive materials on early osteogenesis of human mesenchymal stem cells

Abstract

W inżynierii tkanki kostnej wykorzystywane są liczne biomateriały, które stanowią biozgodne, a często też stymulujące kościotworzenie, podłoże lub rusztowanie. Celem pracy było sprawdzenie jak skład chemiczny kompozytów na bazie kopolimeru kwasu mlekowego i kwasu glikolowego i bioaktywnych szkieł, zawierających w swoim składzie tlenki: krzemu, wapnia oraz fosforu w różnych proporcjach procentowych, wpływa na wczesną osteogenezę ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych. W tym celu zbadano poziom mRNA dla BMP-2, RUNX2 i SP7 oraz aktywność alkalicznej fosfatazy (ALP) w komórkach hodowanych na ww. podłożach. Dodatkowo sprawdzono potencjał materiałów do stymulowania mineralizacji macierzy zewnątrzkomórkowej. Wyniki wskazują, że praktycznie każdy z badanych materiałów indukuje odpowiedź kościotwórczą komórek. Jednakże zaobserwowano znacząco wyższą ekspresję zwłaszcza BMP-2 i SP7 na poziomie mRNA w komórkach hodowanych na materiałach z dodatkiem P2O5. Preinkubacja materiałów w symulowanym osoczu (SBF), która prowadzi do wytworzenia powierzchniowej warstwy hydroksyapaptytu, niweluje większość obserwowanych różnic w odpowiedzi kościotwórczej komórek, dlatego wnioskujemy, że niewielkie zmiany w chemizmie podłoży i rusztowań mogą znacząco wpływać na odpowiedź komórek, jeśli nie zostały one uprzednio poddane oddziaływaniu sztucznego osocza celem wykrystalizowania powierzchniowej warstwy hydroksyapatytu. Potwierdzono także korzystny wpływ ekstraktów jonowych zebranych znad badanych materiałów na stymulowanie procesów mineralizacji macierzy. Wyniki tego eksperymentu sugerują, że materiały nieinkubowane w symulowanym osoczu oddziałują na komórki prawdopodobnie głównie poprzez jony uwalniane w reakcjach powierzchniowych.In bone engineering there are used different biomaterials, which are biocompatible and often stimulating osteogenesis 2D or 3D scaffolds. The aim of the study was to check how a composition of composite of a copolymer of lactic acid and glycolic acid and bioactive glasses containing oxides of: silicon, calcium and phosphorus in different proportions can affect early osteogenesis in human mesenchymal stem cells. For this purpose it was checked the mRNA level for BMP-2, RUNX2 and SP7 and the activity of alkaline phosphatase (ALP) in the cells cultured on the above substrates. In addition, it was tested the potential of the materials to stimulate mineralization of extracellular matrix. Analysis of the results of gene expression level showed that practically each of the materials induces an osteogenic response of cells. However there was a significantly higher gene expression of especially BMP-2 and SP7 in cells grown on substrates containing bioglasses with P2O5. Preincubation of materials in simulated body fluid (SBF), which leads to production of surface layer of hydroxiapatite, eliminates most of the observed differences in osteogenic response of cells and therefore we conclude that small changes in the chemistry of scaffolds can significantly affect the response of cells, particularly if they have already been subjected to the influence of SBF. It was also found beneficial effects of ions extracts, which were collected from the tested materials, on stimulation of extracellular matrix mineralization. It suggests that the materials, which were not incubated in SBF may interact with cells mainly by ions released in the surface reactions