Stimulation of mesenchymal stem cells osteogenic differentiation using perfusion bioreactor

Abstract

Bone cells in vivo reside in a dynamic environment exposed to constant chemical and mechanical stimuli caused by the interstitial fluid flow. It is hypothesized that perfusion of the medium through the scaffold increases the mass transport and creates at the same time shear stress, thereby in vitro simulating the interstitial fluid effects and bone tissue formation conditions. This work examined the effects of perfusion flow rates on cell viability, proliferation, migration and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells within cell-seeded 3D poly-ε-caprolactone scaffolds. Scaffolds were perfused for 21 days at flow rates 1, 3 and 5 mL/min and were compared to the scaffolds from static culture. Cells were most viable, had upregulated expression of osteogenic markers collagen type I and highest alkaline phosphatase activity under flow rate 1 mL/min when compared to their static counterparts. Cells proliferated the most under flow rate 3 mL/min when compared to their static counterparts. Flow rate 5 mL/min did not significantly differ from the static culture in any of the examined parameters. Cell migration into the scaffold was not improved upon exposure to perfusion. This data confirms that medium perfusion may benefit cell proliferation and osteogenic differentiation by enhancing...

Kostní buňky jsou in vivo vystaveny neustálým chemickým a mechanickým podnětům, způsobených prouděním intersticiální tekutiny. V in vitro prostředí je možné napodobit účinky intersticiální tekutiny a podmínky tvorby kostní tkáně pomocí perfúzního bioreaktoru. Perfuze média přes tkáňový nosič zlepšuje transport živin a současně vytváří smykové tření, napodobující in vivo podmínky. Tato práce zkoumala účinky rychlostí perfuzního toku na buněčnou životaschopnost, proliferaci, migraci a osteogenní diferenciaci lidských mezenchymálních kmenových buněk kultivovaných v 3D vlákenných nosičích připravených z poly-ε-kaprolaktonu. Nosiče byly vystaveny perfuzi po dobu 21 dnů při průtokových rychlostech 1, 3 a 5 ml/min a byly porovnány s nosiči kultivovanými ve statických podmínkách. Buňky kultivované při průtoku 1 ml/min vykazovaly ve srovnání se statickou kulturou vyšší životaschopnost, měly zvýšenou expresi osteogenního markeru kolagenu typu I a nejvyšší aktivitu alkalické fosfatázy. Nejvyšší buněčná proliferace ve srovnání se statickou kulturou byla sledována při průtoku 3 ml/min. Buňky kultivované v bioreaktoru pod průtokem 5 ml/min se v žádném ze zkoumaných parametrů významně nelišily od statické kultury. Migrace buněk do nosičů po vystavení perfuznímu proudění nebyla sledována. Tato data potvrzují, že...