Экзогенно доставленные ИПСК нарушают естественную реакцию восстановления эндогенных МПК после повреждения кости.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9378 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Содействие заживлению костей, в том числе несращению переломов, является многообещающей целью инженерии костной ткани из-за ограниченного успеха современных методов клинического лечения. Были проведены значительные исследования по использованию стволовых клеток с каркасами из биоматериала и без них для лечения переломов костей из-за их многообещающих регенеративных способностей. Однако относительная роль экзогенных и эндогенных стволовых клеток и их общий вклад в восстановление переломов in vivo еще недостаточно изучены. Целью данного исследования было определить взаимодействие между экзогенными и эндогенными стволовыми клетками во время заживления костей. Это исследование было проведено с использованием стандартизированной модели повреждения кости с трещинами на мышах, отслеживающих линию мезенхимальных клеток-предшественников (MPC), в нормальных гомеостатических и остеопоротических условиях. Травмы с трещинами лечили биоматериалом коллагена-I, загруженным мечеными индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК) и без них. С помощью отслеживания линий была изучена роль экзогенных и эндогенных стволовых клеток в процессе заживления костей. Было замечено, что лечение ИПСК приводило к замедленному заживлению по сравнению с необработанными контрольными животными у интактных мышей после травмы. Когда популяции клеток были исследованы гистологически, дефекты в виде фрезерных отверстий, обработанных иПСК, показали резкое снижение эндогенных ПДК и пролиферацию клеток по всему месту повреждения. Однако когда яичники были удалены и у мышей был индуцирован остеопорозоподобный фенотип, лечение ИПСК привело к усилению костеобразования по сравнению с необработанной контрольной группой. В отсутствие ИПСК эндогенные МПК демонстрировали устойчивую пролиферативную и остеогенную способность к восстановлению, и это поведение нарушалось в присутствии ИПСК, которые вместо этого принимали судьбу остеобластов, но с небольшой пролиферацией. Это исследование ясно демонстрирует, что экзогенно доставленные популяции клеток могут влиять на нормальное функционирование эндогенных популяций ствола/предшественников во время нормального каскада заживления. Эти взаимодействия необходимо лучше понять, чтобы использовать клеточную и биоматериальную терапию для лечения переломов.

На протяжении всей жизни кость постоянно реконструируется в ответ на нагрузку, метаболические изменения и повреждения (например, переломы). У людей переломы длинных костей обычно заживают в течение 3–4 месяцев1. Скелетные стволовые клетки/клетки-предшественники, такие как мезенхимальные стволовые клетки/клетки-предшественники (МПК), играют важную роль в заживлении костей, поскольку они обладают способностью дифференцироваться во многие типы клеток, участвующих в каскаде заживления (например, хондроциты, остеобласты и остеоциты). а также влиять на воспалительную нишу (иммуномодуляция) во время процесса восстановления2.

Несмотря на присущую кости способность к регенерации после травмы, в некоторых случаях кость не может зажить самостоятельно, и эти травмы могут сохраняться из-за множества факторов, таких как нестабильная механика перелома или такие заболевания, как остеопороз3. В этих случаях может возникнуть неустранимый дефект, называемый несращением перелома. Для несращения переломов обычно характерно отсутствие заживления в течение 6–8 месяцев без прогрессирующих признаков заживления4. По оценкам, только в США5 100 000 переломов продолжают несрастаться. Таким образом, содействие заживлению несросшихся переломов является многообещающей целью инженерии костной ткани из-за неспособности дефекта к регенерации, а также его относительно высокой клинической частоты.

Из-за их многообещающих регенеративных способностей были проведены значительные исследования по использованию экзогенных стволовых клеток (взрослых и плюрипотентных) с каркасами из биоматериала и без них для лечения переломов костей6,7,8,9. Однако, несмотря на потенциал терапии стволовыми клетками при лечении переломов, до сих пор недостаточно исследований, изучающих взаимодействие экзогенных и эндогенных стволовых клеток/клеток-предшественников в процессе заживления переломов. Кроме того, пока неясно, посредством каких механизмов эндогенные ПДК способствуют заживлению переломов; есть доказательства того, что они дифференцируются и способствуют образованию новых тканей10, а также могут способствовать косвенному развитию, высвобождая факторы роста/цитокины, способствующие заживлению6,10,11. Чтобы лучше понять клеточные механизмы заживления костей, необходимо определить, как экзогенные и эндогенные популяции стволовых клеток/клеток-предшественников взаимодействуют друг с другом во время заживления in vivo. Таким образом, целью этого исследования было изучить взаимодействие между экзогенными (индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками, ИПСК) и эндогенными (МПК) клетками во время восстановления перелома, чтобы получить представление об этих механизмах с целью улучшения заживления несращений переломов.