Biocompatibility research of bioactive materials in selected cell cultures

Rozwijająca się dziedzina nauk biologicznych oraz materiałoznawstwa kieruje współczesną medycynę regeneracyjną w nową erę innowacyjnych rozwiązań naprawy i wymiany uszkodzonych tkanek lub narządów. Począwszy od powszechnej, niewielkiej poprawy lub naprawy fragmentu uszkodzonej tkanki, aż po regenerację całych tkanek i narządów, biomateriały stanowią wielkie wyzwanie dla naukowców. Największym celem jest wykorzystanie naturalnej zdolności organizmu do regeneracji w połączeniu z nadaniem kompozytom funkcji bioaktywnej. Celem pracy było sprawdzenie wpływu składu chemicznego kompozytów składających się z kopolimeru kwasu mlekowego i kwasu glikolowego i bioaktywnych szkieł żelowych na proces osteogenezy linii ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych pochodzenia tłuszczowego (ludzka linia komórkowa ASC52telo) oraz linii mysich komórek BRITER (ang. BMP Responsive Immortalized Reporter cell line). Sprawdzono wpływ osteogennego medium zawierającego różne kompozycje czynników stymulujących, na potencjał kościotwórczy ww. komórek hodowanych na materiałach bioaktywnych lub typowym plastiku hodowlanym. Konkretnie, zbadano ilość endogennego Bmp-2 w hodowli komórek BRITER na kompozytach bioaktywnych oraz poziom mRNA dla COL I, OP, ON, ALP, SP7, RUNX-2 w komórkach ASC52telo hodowanych na plastiku hodowlanym. Ponadto, zbadano aktywność fosfatazy zasadowej (ALP) w ww. komórkach hodowanych zarówno na TCP oraz materiałach bioaktywnych oraz sprawdzono potencjał czynników osteogennych na stymulacje mineralizacji macierzy zewnątrzkomórkowej oraz produkcję kolagenu przez komórki linii ASC52telo. Wyniki wskazują, iż w zależności od sposobu hodowli komórek BRITER (bezpośrednio na materiałach lub jedynie w obecności jonów z tych kompozytów) odpowiedź komórek jest różna. Komórki tłuszczowe wykazują zwiększoną aktywność ALP oraz mineralizacje macierzy zewnątrzkomórkowej podczas stymulacji 1α,25-dihydroksywitaminą D. Stymulacje procesu osteogenezy w tak stymulowanych komórkach również potwierdzają wyniki wskazujące zwiększony poziom mRNA dla OP, ALP oraz SP7 w wyniku stymulacji aktywną formą witaminy D3. W hodowlach prowadzonych na materiałach bioaktywnych zaobserwowano zwiększoną aktywność ALP w komórkach stymulowanych Bmp-2 i hodowanych na dwuskładnikowych kompozytach o wysokiej zawartości wapnia. Stymulacja czynnikami indukującymi (1α,25-dihydroksywitamina D, kwas L-askorbinowy, beta-glicerofosforan) komórek ASC52telo na materiałach wysokowapniowych wykazała podwyższenie ekspresji zasadowej fosfatazy. Wyniki tych eksperymentów sugerują, iż rodzaj hodowli (kontakt z materiałami/pożywka z jonami znad materiałów) ma wpływ na odpowiedź komórek BRITER. Hodowla komórek na materiałach bioaktywnych z czynnikami stymulującymi osteogenezę nie w pełni stymuluje komórki ASC52telo w kierunku osteogenezy, ale hodowla tych komórek na podłożach bioaktywnych i w obecności Bmp-2 skutkuje osteogennym różnicowaniem komórek.

The developing field of biological sciences and materials science directs modern regenerative medicine into a new era of innovative solutions for repairing and replacing damaged tissues or organs. From the widespread, minor improvement or repair of a piece of damaged tissue to the regeneration of entire tissues and organs, biomaterials are a great challenge for scientists. The biggest goal is to use the body's natural regenerative capacity in combination with giving bioactive function to the composites. The aim of the study was to check the influence of the chemical composition of composites consisting of lactic acid and glycolic acid copolymer and bioactive gel glasses on the process of osteogenesis of the human adipose mesenchymal stem cell (human cell line ASC52telo) and the mouse cell line BRITER (BMP Responsive Immortalized Reporter cell line). The effect of osteogenic medium containing various compositions of stimulating factors on bone formation potential of the abovementioned cells grown on bioactive materials or typical cultured plastic. Specifically, the amount of endogenous Bmp-2 in BRITER cell culture on bioactive composites and mRNA levels for COL I, OP, ON, ALP, SP7, RUNX-2 in ASC52telo cells cultured on cultured plastic were examined. In addition, alkaline phosphatase (ALP) activity in the abovementioned cells grown on both TCP and bioactive materials, and the potential of osteogenic factors for stimulation of extracellular matrix mineralization and collagen production by ASC52telo cells was checked. The results indicate that depending on the method of culture BRITER cells (directly on materials or only in the presence of ions from these composites), the cell response varies. Adipose human line cells show increased ALP activity and mineralization of the extracellular matrix during stimulation with 1α, 25-dihydroxyvitamin D. Stimulations of the osteogenesis process in such stimulated cells also confirm the results indicating increased mRNA levels for OP, ALP and SP7 as a result of stimulation with the active form of vitamin D3. In cultures carried out on bioactive materials, increased ALP activity was observed in cells stimulated with Bmp-2 and cultured on high-calcium, two-component composites. Stimulation with inducing agents (1α, 25-dihydroxyvitamin D, L-ascorbic acid, beta-glycerophosphate) of ASC52telo cells on high calcium materials showed an increase in alkaline phosphatase expression. The results of these experiments suggest that the type of culture (contact with materials / medium with ions from above materials) has an impact on the response of BRITER cells. Culture of cells on bioactive materials with osteogenesis-stimulating factors does not fully stimulate ASC52telo cells for osteogenesis, but culturing these cells on bioactive media and in the presence of Bmp-2 results in osteogenic cell differentiation.