Published July 13, 2020 | Version v1
Publication Open

Nanovibrational Stimulation of Mesenchymal Stem Cells Induces Therapeutic Reactive Oxygen Species and Inflammation for Three-Dimensional Bone Tissue Engineering

  • 1. University of Glasgow
  • 2. Prince of Songkla University
  • 3. University of Strathclyde
  • 4. University of Southampton
  • 5. Ollscoil na Gaillimhe – University of Galway
  • 6. Queen Mary University of London
  • 7. Queen Elizabeth II Hospital

Description

There is a pressing clinical need to develop cell-based bone therapies due to a lack of viable, autologous bone grafts and a growing demand for bone grafts in musculoskeletal surgery. Such therapies can be tissue engineered and cellular, such as osteoblasts, combined with a material scaffold. Because mesenchymal stem cells (MSCs) are both available and fast growing compared to mature osteoblasts, therapies that utilize these progenitor cells are particularly promising. We have developed a nanovibrational bioreactor that can convert MSCs into bone-forming osteoblasts in two- and three-dimensional, but the mechanisms involved in this osteoinduction process remain unclear. Here, to elucidate this mechanism, we use increasing vibrational amplitude, from 30 nm (N30) to 90 nm (N90) amplitudes at 1000 Hz and assess MSC metabolite, gene, and protein changes. These approaches reveal that dose-dependent changes occur in MSCs' responses to increased vibrational amplitude, particularly in adhesion and mechanosensitive ion channel expression and that energetic metabolic pathways are activated, leading to low-level reactive oxygen species (ROS) production and to low-level inflammation as well as to ROS- and inflammation-balancing pathways. These events are analogous to those that occur in the natural bone-healing processes. We have also developed a tissue engineered MSC-laden scaffold designed using cells' mechanical memory, driven by the stronger N90 stimulation. These mechanistic insights and cell-scaffold design are underpinned by a process that is free of inductive chemicals.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

هناك حاجة سريرية ملحة لتطوير علاجات العظام القائمة على الخلايا بسبب نقص الطعوم العظمية الذاتية القابلة للتطبيق والطلب المتزايد على الطعوم العظمية في الجراحة العضلية الهيكلية. يمكن أن تكون هذه العلاجات مصممة هندسيًا للأنسجة والخلوية، مثل الخلايا البانية للعظام، جنبًا إلى جنب مع سقالة مادية. نظرًا لأن الخلايا الجذعية الوسيطة (MSCs) متاحة وسريعة النمو مقارنة ببنيات العظم الناضجة، فإن العلاجات التي تستخدم هذه الخلايا السلف واعدة بشكل خاص. لقد طورنا مفاعلًا حيويًا اهتزازيًا نانويًا يمكنه تحويل الخلايا الجذعية متعددة الخلايا إلى بنيات عظمية مكونة للعظام في ثنائي وثلاثي الأبعاد، لكن الآليات المشاركة في عملية تحريض العظم هذه لا تزال غير واضحة. هنا، لتوضيح هذه الآلية، نستخدم زيادة السعة الاهتزازية، من 30 نانومتر (N30) إلى 90 نانومتر (N90) عند 1000 هرتز وتقييم تغيرات مستقلب MSC والجين والبروتين. تكشف هذه الأساليب أن التغييرات المعتمدة على الجرعة تحدث في استجابات MSCs لزيادة السعة الاهتزازية، لا سيما في الالتصاق والتعبير عن القناة الأيونية الحساسة للميكانيكا وأن المسارات الأيضية النشطة يتم تنشيطها، مما يؤدي إلى إنتاج أنواع أكسجين تفاعلية منخفضة المستوى (ROS) وإلى التهاب منخفض المستوى وكذلك إلى مسارات موازنة ROS والالتهاب. هذه الأحداث مماثلة لتلك التي تحدث في عمليات شفاء العظام الطبيعية. لقد طورنا أيضًا سقالة محملة بـ MSC مصممة باستخدام الذاكرة الميكانيكية للخلايا، مدفوعة بتحفيز N90 الأقوى. ترتكز هذه الرؤى الميكانيكية وتصميم السقالة الخلوية على عملية خالية من المواد الكيميائية الاستقرائية.

Translated Description (French)

Il existe un besoin clinique urgent de développer des thérapies osseuses à base de cellules en raison d'un manque de greffes osseuses autologues viables et d'une demande croissante de greffes osseuses en chirurgie musculo-squelettique. De telles thérapies peuvent être élaborées par génie tissulaire et cellulaires, telles que les ostéoblastes, combinées à un échafaudage matériel. Parce que les cellules souches mésenchymateuses (CSM) sont à la fois disponibles et à croissance rapide par rapport aux ostéoblastes matures, les thérapies qui utilisent ces cellules progénitrices sont particulièrement prometteuses. Nous avons développé un bioréacteur nanovibrationnel qui peut convertir les CSM en ostéoblastes formant des os en deux et trois dimensions, mais les mécanismes impliqués dans ce processus d'ostéoinduction restent flous. Ici, pour élucider ce mécanisme, nous utilisons des amplitudes vibrationnelles croissantes, de 30 nm (N30) à 90 nm (N90) à 1000 Hz et évaluons les changements de métabolites, de gènes et de protéines MSC. Ces approches révèlent que des changements dose-dépendants se produisent dans les réponses des CSM à une amplitude vibrationnelle accrue, en particulier dans l'adhésion et l'expression des canaux ioniques mécanosensibles, et que les voies métaboliques énergétiques sont activées, conduisant à la production d'espèces réactives de l'oxygène (ERO) de faible niveau et à une inflammation de faible niveau ainsi qu'à des voies d'équilibrage des ERO et de l'inflammation. Ces événements sont analogues à ceux qui se produisent dans les processus naturels de guérison des os. Nous avons également développé un échafaudage MSC chargé de tissus conçu en utilisant la mémoire mécanique des cellules, entraînée par la stimulation N90 plus forte. Ces idées mécanistes et la conception de l'échafaudage cellulaire sont étayées par un processus exempt de produits chimiques inductifs.

Translated Description (Spanish)

Existe una necesidad clínica apremiante de desarrollar terapias óseas basadas en células debido a la falta de injertos óseos autólogos viables y a la creciente demanda de injertos óseos en cirugía musculoesquelética. Dichas terapias pueden ser de ingeniería tisular y celulares, tales como osteoblastos, combinadas con un andamiaje de material. Debido a que las células madre mesenquimales (MSC) están disponibles y crecen rápidamente en comparación con los osteoblastos maduros, las terapias que utilizan estas células progenitoras son particularmente prometedoras. Hemos desarrollado un biorreactor nanovibracional que puede convertir las MSC en osteoblastos formadores de hueso en dos y tres dimensiones, pero los mecanismos involucrados en este proceso de osteoinducción siguen sin estar claros. Aquí, para dilucidar este mecanismo, usamos amplitud vibracional creciente, de amplitudes de 30 nm (N30) a 90 nm (N90) a 1000 Hz y evaluamos los cambios en el metabolito, el gen y la proteína de MSC. Estos enfoques revelan que se producen cambios dependientes de la dosis en las respuestas de las MSC al aumento de la amplitud vibracional, particularmente en la adhesión y la expresión de canales iónicos mecanosensibles y que se activan las vías metabólicas energéticas, lo que conduce a la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) de bajo nivel y a la inflamación de bajo nivel, así como a las vías de equilibrio de ROS e inflamación. Estos eventos son análogos a los que ocurren en los procesos naturales de curación ósea. También hemos desarrollado un andamio cargado de MSC de ingeniería tisular diseñado utilizando la memoria mecánica de las células, impulsado por la estimulación N90 más fuerte. Estos conocimientos mecanicistas y el diseño de andamios celulares se basan en un proceso libre de productos químicos inductivos.

Files

acsnano.0c03130.pdf

Files (15.8 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:67e4c5368aa2a0d7bf22ff1a81f13960
15.8 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحفيز الاهتزاز النانوي للخلايا الجذعية الوسيطة يحفز أنواع الأكسجين التفاعلي العلاجي والالتهاب لهندسة أنسجة العظام ثلاثية الأبعاد
Translated title (French)
La stimulation nanovibrationnelle des cellules souches mésenchymateuses induit une espèce d'oxygène réactif thérapeutique et une inflammation pour le génie tissulaire osseux tridimensionnel
Translated title (Spanish)
La estimulación nanovibracional de las células madre mesenquimales induce especies reactivas terapéuticas de oxígeno e inflamación para la ingeniería tridimensional del tejido óseo

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3041050929
DOI
10.1021/acsnano.0c03130

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1970882491
  • https://openalex.org/W1975371675
  • https://openalex.org/W1977175847
  • https://openalex.org/W1981787196
  • https://openalex.org/W1990069138
  • https://openalex.org/W1995103743
  • https://openalex.org/W1995692886
  • https://openalex.org/W1996281341
  • https://openalex.org/W1998650056
  • https://openalex.org/W2002198698
  • https://openalex.org/W2021050872
  • https://openalex.org/W2025522134
  • https://openalex.org/W2027880075
  • https://openalex.org/W2033640443
  • https://openalex.org/W2040664792
  • https://openalex.org/W2042230336
  • https://openalex.org/W2047012091
  • https://openalex.org/W2058599691
  • https://openalex.org/W2068981042
  • https://openalex.org/W2076047381
  • https://openalex.org/W2079749507
  • https://openalex.org/W2081327111
  • https://openalex.org/W2087878184
  • https://openalex.org/W2090009218
  • https://openalex.org/W2096720114
  • https://openalex.org/W2100454719
  • https://openalex.org/W2107277218
  • https://openalex.org/W2108281583
  • https://openalex.org/W2114948431
  • https://openalex.org/W2120446854
  • https://openalex.org/W2122341467
  • https://openalex.org/W2125899377
  • https://openalex.org/W2128473487
  • https://openalex.org/W2134208433
  • https://openalex.org/W2148658155
  • https://openalex.org/W2151921991
  • https://openalex.org/W2253426588
  • https://openalex.org/W2291522985
  • https://openalex.org/W2522038806
  • https://openalex.org/W2588223795
  • https://openalex.org/W2645647341
  • https://openalex.org/W2730872653
  • https://openalex.org/W2755592203
  • https://openalex.org/W2762017125
  • https://openalex.org/W2765629363
  • https://openalex.org/W2765939774
  • https://openalex.org/W2775083937
  • https://openalex.org/W2790061710
  • https://openalex.org/W2805892376
  • https://openalex.org/W2899504330
  • https://openalex.org/W2912636314
  • https://openalex.org/W2973037712
  • https://openalex.org/W2987402484
  • https://openalex.org/W3008358504