Rekombinant kollagenpolypeptid som et alsidigt knogletransplantatbiomateriale

Den nuværende guldstandard for knogletransplantationskirurgi inkluderer autografts og allografts, selvom der er en stigende efterspørgsel efter at udvikle syntetiske biomaterialer til forbedret bio-integration i knoglevævsteknologi. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Naturkommunikationsmaterialer , Hideo Fushimi og et forskerhold inden for biovidenskab og teknik, og rekonstruktiv bioteknologi i Japan og USA, udviklet et bionedbrydeligt stilladsmateriale ved hjælp af rekombinante proteiner eller polypeptider som en kilde til hydrogel-baserede graftmaterialer. Holdet brugte human type I kollagen alfa 1-kæde (forkortet RCPhC1) som en kilde til at udvikle det rekombinante polypeptid og demonstrerede fleksibiliteten af ​​materialet til at konstruere ideelle egenskaber for knogletransplantater. Holdet udviklede også RCPhC1 knogletransplantater ved hjælp af en meget skalerbar, strømlinet produktionsprotokol til den robuste generering af modent knoglevæv i laboratoriet. Knogletransplantatet resorberes fuldstændigt efter vævsregenerering i en præklinisk dyremodel for effektiv biologisk integration.

Knoglevævsteknik med biomimetik, syntetiske knogletransplantater

I dette arbejde, Fushimi et al. udviklet et syntetisk knogletransplantatmateriale ved at bruge et rekombinant protein forkortet RCPhC1. Udviklingen giver et alsidigt kildemateriale til fremstilling af syntetiske knogletransplantater via fleksibel teknik. Ved at bruge prækliniske undersøgelser i knogledefektmodeller hos hunde og gnavere, holdet viste forbedret effektivitet af knogletransplantaterne til at regenerere knoglevæv med strukturel modenhed. I klinisk ortopædi, tab af vævsvolumen og funktion er et kendetegn for skade, kronisk betændelse, og metabolisk og genetisk sygdom. Mens knoglevæv aktivt kan regenerere via proliferation og osteogen differentiering af mesenkymale stromale eller stamceller, store knogledefekter kræver kirurgiske indgreb for at reparere og genopbygge knogler med knogletransplantatmaterialer.

Globalt, ortopædkirurger udfører cirka 2,2 millioner knogletransplantationsprocedurer årligt på et ekstremt dyrt globalt marked. Menneskets knoglevæv er sammensat af organisk ekstracellulær matrix, krystalliserede calcium- og fosformineraler, der danner hydroxyapatit. Knogletransplantatmaterialer kan efterligne strukturen og den biokemiske sammensætning af knoglevæv. Ortopædkirurger og forskere har brugt autologe knogletransplantater (celler og væv opnået fra det samme individ) til at reparere knogledefekter på grund af mineralske og immunologiske bekymringer, selvom komplikationer på operationsstederne kan føre til alternative transplantationsmetoder såsom allotransplantater (celler og væv opnået fra et andet individ). Den nyere udvikling af biomimetik, syntetiske biomaterialer til knoglevævsteknologi imødekommer et presserende behov i sundhedssektoren for at udvikle nye graftmaterialer uden brug af menneske- eller dyrevæv.

Holdet brugte type I kollagen, rigeligt udtrykt i bindevæv og interstitielle membraner som en væsentlig organisk komponent i knoglevæv. Proteinsekvensen af ​​type I kollagen spiller en vigtig rolle i etableringen af ​​den mekaniske styrke af knogler. Holdet klonede først det komplementære DNA (cDNA) - en DNA-kopi af et messenger RNA (mRNA) molekyle, der koder for polypeptidet (proteinsekvensen) RCPhC1, ind i en ekspressionsvektor. For at opnå dette, de brugte en methylotrofisk gærart kendt som Pichia pastoris til at overføre sekvensen og generere master- og arbejdscellebanker. Holdet bekræftede aminosyresammensætningen af ​​det syntetiske polypeptid og karakteriserede produktet grundigt.

De konstruerede derefter den indre struktur af transplantatmaterialet til at opfylde specifikke krav til målvævet. For at skabe en ensartet porestruktur, derfor, Fushimi et al. designet en tynd-lags frysestøbning (TLFC) protokol. Den alsidige frysetilgang genererede et stort antal porer med tynde vægge for at danne et isotropt RCPhC1-stillads med forskellige interne strukturer.

Fushimi et al. derefter udsat materialet for dehydrotermisk tværbindingsbehandling for at teste virkningen af ​​tværbindingstemperatur og varighed på dets sammensætning. Efter at have testet nedstrømsproduktet for mikrobiel kontaminering, temperaturen under fremstillingsprocessen blev bekræftet at være effektiv til tørvarmesterilisering. Yderligere test viste, hvordan den unikke aminosyresammensætning af det rekombinante protein bidrog til dets robuste hydrotermiske tværbindingseffektivitet. Holdet optimerede derefter det rekombinante proteinmateriale til knogletransplantation ved at regulere koncentrationen af ​​polypeptidmaterialet og dets frysetemperatur baseret på volumenet af transplantat-induceret knogle i en rotte calvarial (kranie) knogledefekt model. Fire uger efter podning af materialet i dyremodellen, holdet brugte mikrocomputertomografi (micro CT)-baseret knoglevolumen estimering. Resultaterne indikerede en optimal koncentration på 7,5 procent RCPhC1, en frysetemperatur på -40 til -60 grader Celsius, og dehydrotermisk tværbinding ved 130 °C i 7  timer for at være bedst egnet til fremstilling af rekombinant knogletransplantatmateriale.

Robust regenerering af vitalt knoglevæv i prækliniske modeller med graftmaterialer

Baseret på de eksperimentelt verificerede optimale forhold, Fushimi et al. fremstillet RCPhC1-knogletransplantaterne med porøse granulat. Ved at bruge modellen af ​​rotte-calvarial knogledefekt, de viste, hvordan knogletransplantatet robust inducerede knogleregenerering i den indre porestruktur, mens den gradvist nedbrydes in vivo, at angive biokompatibilitet og effektiv biointegration. De sammenlignede dette resultat med et kommercielt tilgængeligt bovint (ko) decellulariseret spongiløst knoglexenograft og observerede ikke signifikant større knogleregenerering. Holdet testede derefter knogletransplantatmaterialet i en præklinisk hundemodel for tandudtrækning for at forstå sårheling i tandskålen, hvor ekstraktionsskålen behandlet med knogletransplantatet viste forbedret knogledannelse ved 12 uger. På dette tidspunkt, som forventet, knogletransplantatet blev stort set erstattet af knoglevæv.

Udsigter for syntetiske stilladser i knoglevævsteknik

På denne måde Hideo Fushimi og kolleger optimeret en enkel, men kritisk ingeniørproces til at regulere koncentrationen af ​​opløst stof af et rekombinant polypeptid af humant type I kollagen alpha I-kædeprotein med målrettede aminosyresubstitutioner, forkortet RCPhC1. Holdet implanterede først konstruktionen i en rotte-calvarial knogledefektmodel for at forstå de optimale tekniske faktorer til fremstilling af knogletransplantatet. De designede knogletransplantatmaterialet til at understøtte migrationen af ​​mesenkymale stamceller (MSC'er) mod defektområdet og gav et stimulerende mikromiljø til osteogen differentiering. Knogletransplantatmaterialet alene viste et ideelt helingsmønster i fravær af vækstfaktorer og stamceller til at regenerere knogle. Materialet kan bruges til at generere vævsspecifikt medicinsk udstyr og graftstilladser med betydelig fremstillings-alsidighed inden for knoglevævsteknik.

© 2020 Science X Network