Published June 16, 2021 | Version v1
Publication Open

A novel gelatin/chitooligosaccharide/demineralized bone matrix composite scaffold and periosteum-derived mesenchymal stem cells for bone tissue engineering

Creators

  • 1. Chulalongkorn University
  • 2. King Chulalongkorn Memorial Hospital
  • 3. Suranaree University of Technology

Description

Abstract Background A novel biodegradable scaffold including gelatin (G), chitooligosaccharide (COS), and demineralized bone matrix (DBM) could play a significant part in bone tissue engineering. The present study aimed to investigate the biological characteristics of composite scaffolds in combination of G, COS, and DBM for in vitro cell culture and in vivo animal bioassays. Methods Three-dimensional scaffolds from the mixture of G, COS, and DBM were fabricated into 3 groups, namely, G, GC, and GCD using a lyophilization technique. The scaffolds were cultured with mesenchymal stem cells (MSCs) for 4 weeks to determine biological responses such as cell attachment and cell proliferation, alkaline phosphatase (ALP) activity, calcium deposition, cell morphology, and cell surface elemental composition. For the in vivo bioassay, G, GC, and GCD, acellular scaffolds were implanted subcutaneously in 8-week-old male Wistar rats for 4 weeks and 8 weeks. The explants were assessed for new bone formation using hematoxylin and eosin (H&E) staining and von Kossa staining. Results The MSCs could attach and proliferate on all three groups of scaffolds. Interestingly, the ALP activity of MSCs reached the greatest value on day 7 after cultured on the scaffolds, whereas the calcium assay displayed the highest level of calcium in MSCs on day 28. Furthermore, weight percentages of calcium and phosphorus on the surface of MSCs after cultivation on the GCD scaffolds increased when compared to those on other scaffolds. The scanning electron microscopy images showed that MSCs attached and proliferated on the scaffold surface thoroughly over the cultivation time. Mineral crystal aggregation was evident in GC and greatly in GCD scaffolds. H&E staining illustrated that G, GC, and GCD scaffolds displayed osteoid after 4 weeks of implantation and von Kossa staining confirmed the mineralization at 8 weeks in G, GC, and GCD scaffolds. Conclusion The MSCs cultured in GCD scaffolds revealed greater osteogenic differentiation than those cultured in G and GC scaffolds. Additionally, the G, GC, and GCD scaffolds could promote in vivo ectopic bone formation in rat model. The GCD scaffolds exhibited maximum osteoinductive capability compared with others and may be potentially used for bone regeneration.

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

Translated Description (Arabic)

خلفية مجردة يمكن أن تلعب سقالة جديدة قابلة للتحلل الحيوي بما في ذلك الجيلاتين (G) والشيتوليغوساكاريد (COS) ومصفوفة العظام منزوعة المعادن (DBM) دورًا مهمًا في هندسة الأنسجة العظمية. تهدف الدراسة الحالية إلى التحقيق في الخصائص البيولوجية للسقالات المركبة في مزيج من G و COS و DBM لزراعة الخلايا في المختبر وفي الاختبارات الحيوية للحيوانات الحية. طرق تم تصنيع السقالات ثلاثية الأبعاد من خليط G و COS و DBM إلى 3 مجموعات، وهي G و GC و GCD باستخدام تقنية التجفيف بالتجميد. تمت زراعة السقالات بالخلايا الجذعية الوسيطة (MSCs) لمدة 4 أسابيع لتحديد الاستجابات البيولوجية مثل ارتباط الخلايا وتكاثر الخلايا، ونشاط الفوسفاتيز القلوي (ALP)، وترسب الكالسيوم، ومورفولوجيا الخلايا، والتكوين العنصري لسطح الخلية. بالنسبة للمقايسة الحيوية في الجسم الحي، G، GC، و GCD، تم زرع السقالات اللاخلوية تحت الجلد في فئران ويستار الذكور البالغة من العمر 8 أسابيع لمدة 4 أسابيع و 8 أسابيع. تم تقييم عمليات الاستكشاف بحثًا عن تكوين عظمي جديد باستخدام تلطيخ الهيماتوكسيلين واليوزين (H&E) وتلطيخ فون كوسا. النتائج يمكن أن تعلق MSCs وتنتشر على المجموعات الثلاث من السقالات. ومن المثير للاهتمام، أن نشاط ALP لـ MSCs وصل إلى أكبر قيمة في اليوم 7 بعد استزراعه على السقالات، في حين أظهر اختبار الكالسيوم أعلى مستوى من الكالسيوم في MSCs في اليوم 28. علاوة على ذلك، زادت النسب المئوية للوزن من الكالسيوم والفوسفور على سطح MSCs بعد الزراعة على سقالات GCD عند مقارنتها بتلك الموجودة على السقالات الأخرى. أظهرت صور المسح المجهري الإلكتروني أن MSCs تعلق وتنتشر على سطح السقالة تمامًا خلال وقت الزراعة. كان تجميع الكريستال المعدني واضحًا في GC وبشكل كبير في سقالات GCD. أوضح تلطيخ H&E أن سقالات G و GC و GCD أظهرت عظماني بعد 4 أسابيع من الزرع وأكد تلطيخ von Kossa التمعدن في 8 أسابيع في سقالات G و GC و GCD. الاستنتاج كشفت MSCs المستزرعة في سقالات GCD عن تمايز عظمي المنشأ أكبر من تلك المستزرعة في سقالات G و GC. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تعزز السقالات G و GC و GCD تكوين العظام خارج الرحم في نموذج الفئران. أظهرت سقالات GCD قدرة استقرائية عظمية قصوى مقارنة بالآخرين ويمكن استخدامها لتجديد العظام.

Translated Description (French)

Résumé Contexte Un nouvel échafaudage biodégradable comprenant de la gélatine (G), du chitooligosaccharide (COS) et une matrice osseuse déminéralisée (DBM) pourrait jouer un rôle important dans l'ingénierie du tissu osseux. La présente étude visait à étudier les caractéristiques biologiques des échafaudages composites en combinaison de G, COS et DBM pour la culture cellulaire in vitro et les bioessais animaux in vivo. Méthodes Des échafaudages tridimensionnels à partir du mélange de G, COS et DBM ont été fabriqués en 3 groupes, à savoir, G, GC et GCD en utilisant une technique de lyophilisation. Les échafaudages ont été cultivés avec des cellules souches mésenchymateuses (CSM) pendant 4 semaines pour déterminer les réponses biologiques telles que l'attachement cellulaire et la prolifération cellulaire, l'activité de la phosphatase alcaline (PAL), le dépôt de calcium, la morphologie cellulaire et la composition élémentaire de la surface cellulaire. Pour le bioessai in vivo, G, GC et GCD, des échafaudages acellulaires ont été implantés par voie sous-cutanée chez des rats Wistar mâles âgés de 8 semaines pendant 4 semaines et 8 semaines. Les explants ont été évalués pour la formation de nouveaux os en utilisant la coloration à l'hématoxyline et à l'éosine (H&E) et la coloration de von Kossa. Résultats Les CSM pourraient s'attacher et proliférer sur les trois groupes d'échafaudages. Il est intéressant de noter que l'activité ALP des CSM a atteint la plus grande valeur au jour 7 après la culture sur les échafaudages, alors que le dosage du calcium présentait le niveau le plus élevé de calcium dans les CSM au jour 28. De plus, les pourcentages pondéraux de calcium et de phosphore à la surface des CSM après culture sur les échafaudages GCD ont augmenté par rapport à ceux des autres échafaudages. Les images de microscopie électronique à balayage ont montré que les CSM se fixaient et proliféraient à fond sur la surface de l'échafaudage pendant le temps de culture. L'agrégation des cristaux minéraux était évidente dans le GC et considérablement dans les échafaudages GCD. La coloration H&E a illustré que les échafaudages G, GC et GCD présentaient un ostéoïde après 4 semaines d'implantation et la coloration de von Kossa a confirmé la minéralisation à 8 semaines dans les échafaudages G, GC et GCD. Conclusion Les CSM cultivées dans des échafaudages GCD ont révélé une plus grande différenciation ostéogénique que celles cultivées dans des échafaudages G et GC. De plus, les échafaudages G, GC et GCD pourraient favoriser la formation osseuse ectopique in vivo dans le modèle de rat. Les échafaudages GCD ont montré une capacité ostéoinductive maximale par rapport aux autres et peuvent être potentiellement utilisés pour la régénération osseuse.

Translated Description (Spanish)

Antecedentes abstractos Un nuevo andamio biodegradable que incluye gelatina (G), quitooligosacárido (COS) y matriz ósea desmineralizada (DBM) podría desempeñar un papel importante en la ingeniería del tejido óseo. El presente estudio tuvo como objetivo investigar las características biológicas de los andamios compuestos en combinación de G, COS y DBM para el cultivo celular in vitro y los bioensayos animales in vivo. Métodos Los andamios tridimensionales de la mezcla de G, COS y DBM se fabricaron en 3 grupos, a saber, G, GC y GCD utilizando una técnica de liofilización. Los andamios se cultivaron con células madre mesenquimales (MSC) durante 4 semanas para determinar las respuestas biológicas tales como la unión celular y la proliferación celular, la actividad de la fosfatasa alcalina (ALP), la deposición de calcio, la morfología celular y la composición elemental de la superficie celular. Para el bioensayo in vivo, G, GC y GCD, se implantaron andamios acelulares por vía subcutánea en ratas Wistar macho de 8 semanas de edad durante 4 semanas y 8 semanas. Los explantes se evaluaron para determinar la formación de hueso nuevo utilizando tinción con hematoxilina y eosina (H&E) y tinción de von Kossa. Resultados Las MSC podrían adherirse y proliferar en los tres grupos de andamios. Curiosamente, la actividad ALP de las MSC alcanzó el mayor valor el día 7 después del cultivo en los andamios, mientras que el ensayo de calcio mostró el nivel más alto de calcio en las MSC el día 28. Además, los porcentajes en peso de calcio y fósforo en la superficie de las MSC después del cultivo en los andamios GCD aumentaron en comparación con los de otros andamios. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido mostraron que las MSC se unieron y proliferaron en la superficie del andamio a fondo durante el tiempo de cultivo. La agregación de cristales minerales fue evidente en GC y en gran medida en los andamios de GCD. La tinción de H&E ilustró que los andamios G, GC y GCD mostraron osteoide después de 4 semanas de implantación y la tinción de von Kossa confirmó la mineralización a las 8 semanas en los andamios G, GC y GCD. Conclusión Las MSC cultivadas en andamios GCD revelaron una mayor diferenciación osteogénica que las cultivadas en andamios G y GC. Además, los andamios G, GC y GCD podrían promover la formación de hueso ectópico in vivo en un modelo de rata. Los andamios GCD exhibieron una capacidad osteoinductiva máxima en comparación con otros y pueden usarse potencialmente para la regeneración ósea.

Files

s40824-021-00220-y.pdf

Files (1.6 MB)

⚠️ 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
md5:319b597754b4cc275c9b68362df0886d
1.6 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
سقالة مركبة جديدة من الجيلاتين/السكاريد الكيتولي/مصفوفة العظام منزوعة المعادن وخلايا جذعية متوسطة مشتقة من السمحاق لهندسة الأنسجة العظمية
Translated title (French)
Un nouvel échafaudage composite de gélatine/chitooligosaccharide/matrice osseuse déminéralisée et des cellules souches mésenchymateuses dérivées du périoste pour le génie tissulaire osseux
Translated title (Spanish)
Un nuevo andamio compuesto de gelatina/quitooligosacárido/matriz ósea desmineralizada y células madre mesenquimales derivadas del periostio para la ingeniería del tejido óseo

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3170694886
DOI
10.1186/s40824-021-00220-y

Is supplement to
https://openalex.org/W922543731 (Other)
https://openalex.org/W4256095375 (Other)
https://openalex.org/W3196863326 (Other)
https://openalex.org/W3003069570 (Other)
https://openalex.org/W2626164717 (Other)
https://openalex.org/W2478420051 (Other)
https://openalex.org/W2412922490 (Other)
https://openalex.org/W2387757681 (Other)
https://openalex.org/W2385621653 (Other)
https://openalex.org/W2348717374 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1544995067
  • https://openalex.org/W1966570457
  • https://openalex.org/W1990985341
  • https://openalex.org/W2008677976
  • https://openalex.org/W2042608739
  • https://openalex.org/W2050154892
  • https://openalex.org/W2058362728
  • https://openalex.org/W2058628090
  • https://openalex.org/W2074639428
  • https://openalex.org/W2076651327
  • https://openalex.org/W2088590107
  • https://openalex.org/W2118924937
  • https://openalex.org/W2264337815
  • https://openalex.org/W2464102962
  • https://openalex.org/W2538437447
  • https://openalex.org/W2589988169
  • https://openalex.org/W2590075451
  • https://openalex.org/W2613823746
  • https://openalex.org/W2777310381
  • https://openalex.org/W2785432606
  • https://openalex.org/W2921797476
  • https://openalex.org/W2968463555
  • https://openalex.org/W3033932089
  • https://openalex.org/W94465111