Efficacité de la production de tissus

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13737 (2023) Citer cet article

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Les systèmes de bioréacteurs sont des outils très précieux pour générer des greffons osseux vivants in vitro. Le but de cette étude était de comparer l’efficacité du bioréacteur rotatif et de perfusion dans la production d’une construction osseuse vivante. Des cellules souches mésenchymateuses dérivées de la moelle osseuse humaine (BMDSC) ont été ensemencées sur les surfaces d'échafaudages à base d'hydroxyapatite et cultivées pendant 21 jours dans trois conditions différentes : (1) culture 3D statique, (2) culture 3D dans un bioréacteur à perfusion et ( 3) culture 3D dynamique dans un bioréacteur rotatif. L'évaluation quantitative du nombre de cellules a montré que la culture dans le bioréacteur à perfusion réduisait considérablement la prolifération cellulaire par rapport au bioréacteur rotatif et à la culture statique. Le test de différenciation ostéogénique a démontré que les BMDSC cultivées dans le bioréacteur rotatif produisaient une quantité significativement plus élevée d'ostéopontine que les cellules cultivées dans le bioréacteur à perfusion. De plus, la spectroscopie Raman a montré que la culture de BMDSC dans le bioréacteur rotatif améliorait la minéralisation de la matrice extracellulaire (ECM), caractérisée par une substitution carbonée de type B de l'hydroxyapatite (associée aux groupes PO43−) et un rapport minéral/matrice plus élevé par rapport à l'ECM. de cellules cultivées dans le système de perfusion. Ainsi, il a été conclu que le bioréacteur rotatif était beaucoup plus efficace que celui à perfusion dans la génération de constructions de tissu osseux in vitro.

Au fil des années, l'ingénierie du tissu osseux (BTE) a suscité un intérêt croissant dans les applications cliniques pour la restauration des défauts osseux. Il a été observé que la BTE peut surmonter de nombreux inconvénients des greffes osseuses naturelles (autogreffes, allogreffes et xénogreffes), tels que les sources restreintes de donneurs, la morbidité au niveau du site donneur et la transmission de maladies. L'application d'une greffe osseuse issue de l'ingénierie tissulaire implique les étapes suivantes : (i) l'isolement et l'expansion des cellules, (ii) la croissance de cellules à la surface de l'échafaudage, (iii) la culture in vitro d'un biomatériau ensemencé de cellules pour créer une greffe osseuse vivante. , et (iiii) l'implantation du greffon produit dans le site de la blessure1,2. Pour réussir à créer une greffe osseuse vivante in vitro, la question cruciale est d’imiter le microenvironnement in vivo en exposant les cellules ostéoprogénitrices/cellules souches mésenchymateuses à des stimuli/facteurs adéquats. Il est bien connu que la méthode conventionnelle de culture statique de constructions tridimensionnelles (3D) n'est pas suffisamment performante pour fournir les conditions appropriées (par exemple, un transport suffisant de nutriments vers les cellules) pour obtenir un tissu osseux ressemblant à celui produit in vivo. Par conséquent, les systèmes de bioréacteurs peuvent être utilisés pour améliorer la robustesse et l’efficacité de la création de greffes osseuses en contrôlant les paramètres cruciaux pendant la culture cellulaire et en fournissant une distribution cellulaire homogène, des concentrations suffisantes de gaz et de nutriments, l’élimination des déchets et des forces mécaniques3,4. Il existe différents types de systèmes de bioréacteurs, par exemple les bioréacteurs à perfusion, les bioréacteurs rotatifs, les bioréacteurs à flacon rotatif, qui peuvent fournir des conditions appropriées pour la création de greffes osseuses in vitro.

Les bioréacteurs à perfusion utilisent un système de pompe qui perfuse le milieu de culture de manière continue, assurant un transport de masse approprié de nutriments et de gaz et des stimuli mécaniques contrôlés5. Les systèmes de perfusion comprennent généralement une pompe, un réservoir de milieu de culture, un circuit de tubulures, des récipients contenant les échafaudages et un récipient à déchets3,4. Le paramètre important dans ces systèmes est le débit du milieu qui peut induire des contraintes de cisaillement des parois affectant le microenvironnement des cellules et favorisant ainsi le processus de formation osseuse2,4. Plusieurs études ont montré que la culture cellulaire dans les bioréacteurs à perfusion améliorait la différenciation ostéogénique des cellules ostéoprogénitrices/cellules souches mésenchymateuses par rapport à la culture statique en augmentant l'expression de gènes liés à l'ostéogenèse (par exemple l'ostéopontine (OPN), la phosphatase alcaline osseuse (bALP), l'ostéocalcine. (OC), collagène de type I (Col I))6,7,8. À leur tour, des bioréacteurs dynamiques (par exemple des bioréacteurs rotatifs, des bioréacteurs à fioles tournantes) ont été développés principalement pour fournir des nutriments et de l'oxygène de manière homogène et créer un environnement à faible cisaillement qui joue un rôle important dans l'amélioration de l'ostéogenèse en activant les voies de signalisation de mécanotransduction6,9. Le système de culture cellulaire rotatif (RCCS) développé par la National Aeronautics and Space Administration (NASA) simule les conditions de microgravité relative, offrant à la fois un environnement à faible cisaillement et un transfert de masse optimal9. Le RCCS le plus courant se compose d’une base rotative avec contrôle de la vitesse de rotation et d’un récipient tournant horizontalement. Les biomatériaux ensemencés de cellules peuvent être maintenus soit en chute libre, soit fixés sur une aiguille dans le récipient rotatif. De plus, ce type de bioréacteur peut également être utilisé sans biomatériaux pour générer des agrégats cellulaires 3D ressemblant à des tissus in vivo2. Semblable aux bioréacteurs à perfusion, certaines études ont montré que la méthode de culture basée sur la rotation augmentait l'expression de gènes liés à l'ostéogenèse (par exemple, bALP, OC, Col I) et la minéralisation de la matrice extracellulaire (ECM) dans les cellules souches mésenchymateuses par rapport à la culture statique10, 11,12.