Bioaktiiviset tukirakenteet ovat hyödyllisiä kudosteknologiassa

Taustaa

Luusiirteitä käytetään laajalti luupuutosten korjaamiseen, ja autogeeniset (potilaan omaa kudosta olevat) siirteet ovat hoidon "kultainen standardi". Autogeenisten siirteiden käyttöä kuitenkin rajoittavat saatavan kudoksen toisinaan riittämätön määrä, ottokohtaan syntyvä vamma, sekä toimenpiteen vaatiman, usein yleisanestesiassa suoritetun leikkauksen haittavaikutukset etenkin iäkkäillä potilailla. Tämän lisäksi allogeenisten (toisen henkilön kudosta olevien) siirteiden käyttöä rajoittavat hylkimisreaktion, infektioiden ja siirteen resorboitumisen riskit.

Luun kudosteknologia on korjaavan lääketieteen nopeasti kehittyvä osa-alue, jossa yhdistetään luun muodostusta kiihdyttäviä tekijöitä tai soluja tai molempia huokoisiin tukirakenteisiin. Tavoitteena on alkuperäisen kudoksen rakenteen ja toiminnan palauttaminen. Synteettinen tukirakenne toimii uusiutuvien kudosten kasvua ohjaavana alustana, kun taas biologinen osatekijä lisää (ihmis)kehon paranemiskykyä. Luun kudosteknologian tukirakenteiden tulee olla bioyhteensopivia ja luun kasvua ohjaavia, jotta kudokset voisivat uusiutua implantoidun materiaalin pinnalla ilman kapseloitumista ja vierasesine- reaktioita. Tukirakenteen makroskooppinen huokoisuus puolestaan on edellytyksenä vauriokohdan onnistuneelle luutumiselle ja verisuonittumiselle.

Tutkimuksen tarkoitus ja toteutus

Tämän tutkimustyön tarkoituksena oli verrata erilaisten makrohuokoisten tukirakenteiden soveltuvuutta luun kudosteknologiaan. Tukirakenteita oli kahta päätyyppiä: a) mekaanisesti luja ja elimistössä säilyvä titaanikuituverkko ja b) joustava ja elimistössä hajoava huokoinen polymeeri. Lisäksi tukirakenteita muokattiin bioaktiivisiksi, ja eri materiaaliversioiden luuperäistä vastetta tutkittiin soluviljelyssä sekä ektooppisen luun muodostuksen kokeissa. Työhypoteesina oli, että tukirakenteiden bioaktiivisuus lisäisi niiden toimivuutta.

Tulokset

Laboratoriossa kasvatettujen rotan luuytimen peruskudoksen solujen luuperäinen ilmiasu voimistui titaanioksidipinnoitetuissa, mutta ei titaanioksidi-piioksidi pinnoitetuissa titaaniverkoissa. Jälkimmäinen pinnoitetyyppi johti lisäksi viivästyneeseen ektooppiseen luun muodostukseen vastaavilla soluilla ladatuissa tukirakenteissa. Parantunut luukudoskontakti ihonalaisen implantoinnin alkuvaiheessa ja syntyneen luukudoksen tasaisempi jakautuminen huokoisissa tukirakenteissa kuitenkin osoittivat molempien pinnoitteiden hyödyllisyyttä. Kaiken kaikkiaan lupaavimmat tulokset saavutettiin titaanioksidipinnoitetuilla kuituverkoilla.

Tässä työssä kehitettiin myös joustavia ja biohajoavia poly(?-kaprolaktoni/D,L-laktidi) -peräisiä tukirakenteita. Makrohuokoisten rakenteiden in vitro -hajoamisnopeuden huomattiin riippuvan polymeerin hydrofiilisyydestä. Huokosrakennetta voitiin säädellä muuttamalla huokoistavan aineen määrää ja tyyppiä. Uutena huokoistavana aineena käytettiin kalsiumkloridiheksahydraattia (CaCl₂ • 6H₂O). Kokeissa tutkittu kasvatusmenetelmä, jossa näytekappaleet ovat jatkuvan nesteviratuksen alaisena, lisäsi solujen tunkeutumista tukimateriaalien sisään, mutta vähensi solujen lukumäärää ja erilaistumista luusolujen suuntaan. Bioaktiivisen lasin lisääminen polymeeriin sen sijaan lisäsi kantasolujen erilaistumista viljelmässä, jossa näytekappaleet ovat staattisessa tilassa virtaamattomassa soluviljelynesteessä. Lasin lisääminen myös edisti ektooppista luun muodostusta soluilla ladatuissa tukirakenteissa. Tutkitut polymeerit ja bioaktiivisen lasin komposiitit osoittautuivat kudosyhteensopiviksi, kaprolaktonin ja laktidin moolisuhteesta tai lasipartikkelien koosta riippumatta.

Johtopäätökset

Rotan luuydinkudoksen kantasolujen viljelyt ja ihonalaiset implantoinnit osoittautuivat hyviksi malleiksi vertailtaessa erilaisia luun kudosteknologian tukirakenteita keskenään. Bioaktiivisten tukirakenteiden hyödylliset vaikutukset saatiin näissä kokeissa selkeästi osoitettua.

Bioactive scaffolds are suitable for bone engineering

The aim of this study was to compare the suitability of different macroporous scaffold types for bone engineering applications. The two scaffold categories studied were a) the mechanically strong and stable titanium fiber meshes and b) the elastic and biodegradable porous polymers. Furthermore, bioactive modifications were applied to these basic scaffold types, and their effect on the osteogenic responses was evaluated in cell culture and ectopic bone formation studies.

The osteogenic phenotype of cultured cell-scaffold constructs was heightened with a sol-gel derived titania coating, but not with a mixed titania-silica coating. The latter coating also resulted in delayed ectopic bone formation in bone marrow stromal cell seeded scaffolds. However, the better bone contact in early implantation times and more even bone tissue distribution at later times indicated enhanced osteoconductivity of both the coated scaffold types. Overall, the most promising bone engineering results were obtained with titania coated fiber meshes.

Elastic and biodegradable poly(?-caprolactone/D,L-lactide) based scaffolds were also developed in this study. The degradation rates of the scaffolds in vitro were governed by the hydrophilicity of the polymer matrix, and the porous architecture was controlled by the amount and type of porogen used. A continuous phase macroporosity was obtained using a novel CaCl₂ • 6H₂O porogen. Dynamic culture conditions increased cell invasion, but decreased cell numbers and osteogenicity, within the scaffolds. Osteogenic differentiation in static cultures and ectopic bone formation in cell seeded scaffolds were enhanced in composites, with 30 wt-% of bioactive glass filler.

Alkuperäisjulkaisut

I Meretoja VV, de Ruijter AE, Peltola TO, Jansen JA and Närhi TO. Osteoblast differentiation with titania and titania–silica-coated titanium fiber meshes. Tissue Engineering 2005; 11: 1489–97.

II Meretoja VV, Tirri T, Ääritalo V, Walboomers XF, Jansen JA and Närhi TO. Titania and titania-silica coatings for titanium: Comparison of ectopic bone formation within cell seeded scaffolds. Tissue Engineering 2007; 12: 855–63.

III Meretoja VV, Helminen AO, Korventausta JJ, Haapa-aho V, Seppälä JV and Närhi TO. Crosslinked poly(?-caprolactone/D,L-lactide)/bioactive glass composite scaffolds for bone tissue engineering. Journal of Biomedical Materials Research 2006; Part A 77A: 261–8.

IV Meretoja VV, Malin M, Seppälä JV and Närhi TO. Osteoblast response to continuous phase macroporous scaffolds under static and dynamic culture conditions. Journal of Biomedical Materials Research, Part A. Saatavana verkossa: http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/fulltext/118823850/HTMLSTART

V Meretoja VV, Tirri T, Malin M, Seppälä JV and Närhi TO. Ectopic bone formation in and soft tissue response to biodegradable continuous phase macroporous scaffolds. Käsikirjoitus.