La complessa architettura dell'osso è difficile da ricreare in laboratorio. Perciò, i progressi nell'ingegneria del tessuto osseo (BTE) mirano a costruire innesti specifici per il paziente che aiutino la riparazione ossea e attivino specifici percorsi di segnalazione cellulare. Gli scienziati dei materiali in medicina rigenerativa e BTE sviluppano progressivamente nuovi materiali per la riparazione biologica attiva in un sito di difetto post-impianto per accelerare la guarigione attraverso la biomimetica ossea.

L'inizio rapido della formazione di nuovo osso nel sito di impianto è una caratteristica altamente desiderabile nella BTE, e gli scienziati sono concentrati sulla fabbricazione di innesti che rafforzano l'interfaccia materiale-osso dopo l'impianto. Il vetro bioattivo può legarsi all'osso pochi minuti dopo l'innesto, e fibroina di seta, una proteina fibrosa naturale ha il potenziale per indurre la rigenerazione ossea. I materiali ibridi che sfruttano queste proprietà possono combinare il potenziale osteogenico e la capacità di carico per potenziali applicazioni in modelli di difetti ossei a carico elevato.

In un recente studio, Swati Midha e collaboratori hanno sviluppato un nuovo costrutto ibrido 3-D utilizzando inchiostri a base di seta con diverse composizioni di vetro bioattivo integrate per ricreare un microambiente mimetico osseo che supporta la differenziazione osteogenica delle linee di cellule staminali mesenchimali del midollo osseo (BMSC) in laboratorio. Ora pubblicato in Materiali biomedici , Scienza dell'IOP, gli scienziati hanno utilizzato strumenti di scrittura diretta per produrre gli scaffold in fibra di seta-gelatina-vetro bioattivo (SF-G-BG). I risultati hanno fornito spunti appropriati per regolare lo sviluppo di costrutti ossei umani 3D personalizzati in vitro.

Gli autori hanno esplorato due composizioni di vetro bioattivo (con e senza stronzio) radicate in matrici a base di seta. Il lavoro ha studiato (1) le proprietà meccaniche dei compositi ibridi per il loro potenziale come inchiostri per scaffold di stampa 3D, seguito da (2) il potenziale osteogenico di tali matrici stampate in 3D a base di inchiostro SF-G-BG, e (3) i meccanismi di segnalazione sottostanti responsabili della differenziazione ossea su costrutti stampati in 3D.

L'inchiostro è stato creato utilizzando vetro derivato da fusione, e dopo una serie di ottimizzazioni con diverse concentrazioni, Sono stati resi possibili i compositi SF-G-BG ottimizzati per la stampabilità e la citocompatibilità. Dopo la stampa, gli scaffold 3-D SF-G-BG sono stati incubati in etanolo all'80% per indurre cambiamenti conformazionali nella proteina della seta costituente.

Le proprietà fisico-chimiche dei materiali sono state testate con FTIR e spettrometria di massa a plasma accoppiato induttivo utilizzata per monitorare il profilo di rilascio di ioni di vetri bioattivi all'interno della fibroina di seta. Le cellule staminali mesenchimali sono state coltivate sui materiali per comprendere i meccanismi di differenziazione cellulare.

Tipicamente, la differenziazione osteogenica su matrici a base di seta è associata all'attivazione della via di segnalazione Wnt/β, mentre il vetro bioattivo attiva un diverso insieme di percorsi di segnalazione osteogenici. Perciò, gli autori hanno indagato se questi meccanismi di differenziazione cellulare fossero indipendenti l'uno dall'altro o se il cross-talk tra di essi portasse all'induzione di un nuovo set di geni per regolare la formazione ossea sui costrutti ibridi.

Studi molecolari approfonditi hanno mostrato che i costrutti SF-G-BG contenenti stronzio (Sr) avevano una differenziazione osteogenica superiore guidando le cellule staminali mesenchimali verso fenotipi osteoblastici e osteocitici entro 21 giorni dalla coltura cellulare. Successivamente, gli autori hanno testato la sovraregolazione di sei geni di interesse per studiare la differenziazione osteoblastica, compresa l'espressione del fattore di trascrizione correlato a Runt (Runx2), un gene master che innesca l'inizio dell'espressione osteogenica all'inizio del ciclo di differenziazione cellulare, diminuire gradualmente entro il settimo giorno come osservato nello studio.

Allo stesso modo, gli autori hanno testato la sovraregolazione di tre geni specifici espressi durante la differenziazione osteocitica. Seguito da studi per rilevare il rilascio ionico dal vetro bioattivo nei costrutti di inchiostro di gelatina di seta che attivano la proteina morfogenetica ossea 2 BMP-2, proteina morfogenetica ossea 4 BMP-4 e vie di segnalazione cellulare IHH del riccio indiano che sono fondamentali per regolare la formazione ossea in vivo. I test di ontologia genica hanno anche determinato la rete di geni associati durante la differenziazione osteogenica delle BMSC nei costrutti SF-G-BG stampati in 3D.

La maggior parte delle cellule è stata rilevata per sopravvivere sui materiali compositi, confermando che la composizione di SF-G-BG supportava la vitalità delle cellule staminali. Le superfici del materiale cellulare sono state osservate con la microscopia elettronica a scansione (SEM) per visualizzare la morfologia cellulare e la colorazione immunoistochimica per visualizzare l'osteogenesi con anticorpi specifici. Studi genetici hanno indicato che il vetro bioattivo con scaffold di fibroina di seta radicata con Sr ha sovraregolato sinergicamente le vie di segnalazione BMSC per una maggiore differenziazione e maturazione, attivando specificamente le principali vie di segnalazione (BMP-2, BMP-4 e IHH) fondamentali per regolare la formazione ossea in vivo. I risultati supportano ulteriori indagini in un modello animale preclinico prima della progettazione di innesti ossei SF-G-BG 3-D specifici per il paziente in laboratorio.

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