Advances in Bone Tissue Engineering

Abstract

Bone deficiencies, caused by malformations, trauma or adverse effects from medical treatments, are a clinical challenge and often associated with reduced physical function and quality of life. Autologeous bone grafts can be used to reconstruct skeletal defects, but the right size and quality of bone might not always be available and even so, donor-site morbidity might follow. A pre-fabricated or tissue engineered material has been proposed as an alternative means of addressing these limitations. By combining bone forming cells, growth factors and scaffolding materials, this technique has the potential to generate custom made bone grafts.

The main objectives for this thesis were to optimize the conditions for bone tissue engineering, to introduce new perspectives and to gain further understanding of the involved components. In study I, the scaffolding material hydroxyapatite was coated with fibronectine and serum to augment the materials bioactivity and cell carrying capacity. Cell attachment and growth were significantly enhanced by the surface manipulation in vitro. Similar trends were found for in vivo cell delivery, but the difference was not statistically significant compared to the controls. In study II, mesenchymal stem cell (MSC) growth was accelerated in 2-D and 3-D cultures by transient downregulation of cell cycle regulator p21, using short interfering RNA. In study III, MSCs were transduced with adenoviruses to express BMP2 and VEGF. An interesting interaction was discovered, where VEGF was shown to inhibit simultaneous BMP2 expression. In study IV, a periosteum-like graft was engineered, using the dermal matrix AlloDerm and seeded MSCs. When the seeded cells were transduced to express BMP2, the created periosteum proved capable of inducing ectopic bone formation in muscle and healed a critical-sized bone defect in rat mandible.

Collectively, the presented studies highlight important aspects and current limitations of bone tissue engineering. A new approach was introduced in facilitating the process of bone formation and regeneration, and valuable insights were gained regarding stem cell manipulation and behavior. Furthermore, a novel strategy to induce bone formation and healing through the use of a manufactured periosteum was presented.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Skador på skelettet kan uppstå efter bl.a. olyckor, tumörkirurgi eller strålning. Ofta är sådana skador mycket handikappande då de påverkar kroppens funktion, stabilitet och utseende. Om benvävnad saknas eller måste bytas ut använder man sig idag av mikrokirurgiska metoder, där man flyttar kroppseget ben från ett ställe till ett annat. Tyvärr innebär detta att man skapar en ny bendefekt, om än på ett mindre känsligt ställe. Det finns inte heller alltid rätt storlek, form och kvalitet av ben att tillgå och därför skulle det vara ett stort framsteg om man kunde framställa skräddarsydd benvävnad på annat vis. Idag finns förhoppningar om att kunna konstruera nya skelettdelar, i eller utanför kroppen, med hjälp av kroppsegna celler tillsammans med lämpliga bärarmaterial och stimulerande tillväxtfaktorer. Ett fåtal utvalda patienter har genomgått rekonstruerande kirurgi med hjälp av dessa principer men det finns fortfarande alltför många brister och frågetecken för att kunna använda tekniken rutinmässigt. Bland annat är den benbildande processen mycket tidskrävande, vilket innebär försenade rekonstruktioner efter traumatiska skador och tumörkirurgi. Därtill är storleken och kvaliteten på det bildade benet bristfälliga eftersom benet initialt saknar fungerande blodkärl och en etablerad blodförsörjning.

Detta projekt har haft för avsikt att optimera och effektivisera den benbildande processen, att förbättra förutsättningarna för kärlförsörjning av det bildade benet samt att introducera nya koncept och perspektiv inom området.

I det första delprojektet påvisades att det går att odla benbildande celler på materialet hydroxyapatit och att man därigenom kan använda sig av materialet som cellbärare. Hydroxyapatit är ett kalciumfosfat som liknar den icke-organiska komponenten i naturligt ben och har med viss framgång används som bensubstitut. Resultaten från den första studien innebär att celler kan transplanteras tillsammans med hydroxyapatit och därmed underlätta att materialet läker in och ersätts av ben. Vidare konstaterades att cellernas förmåga att fästa till och växa på hydroxyapatit till viss del kan förbättras då man förbehandlar materialet med cellvänliga molekyler.

I den andra studien förbättrades stamcellers tillväxthastighet genom att en bromsande gen (p21) tillfälligt blockerades med hjälp av s.k. inhiberande RNA. Resultaten från studien visade bland annat att cellernas antal i den experimentella gruppen efter en vecka var cirka tre gånger högre än bland kontrollerna. Dessa fynd utgör en modell för hur man tidsmässigt kan effektivisera den benbildande processen genom att cellernas delningshastighet ökas.

I den tredje studien manipulerades stamceller med hjälp av virus till att öka utsöndringen av benbildande och kärlstimulerande tillväxtfaktorer. En intressant interaktion upptäcktes. Den kärlstimulerande faktorn VEGF visade sig hämma stamcellernas förmåga att producera den benstimulerande faktorn BMP2. Detta ger ny insikt i cellers förmåga att utsöndra flera tillväxtfaktorer samtidigt och

43

understryker vikten av att beakta potentiella interaktioner mellan tillväxtfaktorer i dessa sammanhang.

I det sista delarbetet konstruerades ett benhinneliknande material. Alla kroppens ben omges av en benhinna, som innehåller benbildande celler och utgör en fysisk barriär mot omkringliggande vävnad. Den skapade benhinnan framställdes genom att stamceller, som genetiskt manipulerades till att utsöndra den benstimulerande faktorn BMP2, odlades på ett tunt bärarmaterial. Det cellbärande materialet visade sig kunna inducera bennybildning i muskel på mus och bidrog på ett avgörande sätt till läkning av en skapad bendefekt i käke på råtta.

Tillsammans har dessa studier lett till viktiga insikter om cellers beteende och andra processer som är involverade då man framställer ben med hjälp av vävnadsteknik. Flera av fynden kan leda till nya studier och har potential till utveckling av kliniskt användbara metoder och produkter.

• author: Schönmeyr, Björn
• supervisor: Fredrik Gewalli; Henry Svensson; Babak Mehrara
• opponent: Professor Kratz, Gunnar, Hand och Plastikkirurgiska kliniken, Universitetssjukhuset, Linköping
• organization: Department of Clinical Sciences, Malmö
• publishing date: 2010
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Surgery
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2010:30
• pages: 56 pages
• defense location: Medicinska klinikens Aula, SUS, Malmö
• defense date: 2010-05-12 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86443-45-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 0126dd0b-6a1c-4ea4-a36a-b4fdf0cfe3da (old id 1590077)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:36:14
• date last changed: 2019-05-21 23:15:13