Development of in vitro and in vivo Bioreactors for Bone Tissue Engineering

Abstract

Grandes defectos óseos constituyen un reto para el campo clínico, ya que no puede ser reparado por el propio organismo, sino que requieren la implantación de injertos de hueso adecuado. Para superar los inconvenientes de los injertos procedentes de fuentes autólogas o allogeneicas, la ingeniería de tejidos óseos pretende sustituir el tejido perdido utilizando el cultivo de células in vitro sobre biomateriales porosos. El cultivo de células en grandes andamios porosos ha demostrado ser difícil, que requiere bioreactores, que se utilizan para el cultivo de tejidos y el estudio del comportamiento de células en 3D de los andamios. De interés especial es el condicionamiento mecánico de los tejidos cultivados por bioreactor de la ingeniería del tejido óseo, que es capaz de aumentar el potencial osteogénico de los injertos sintéticos.<br/><br/>En este trabajo, dos sistemas de bioreactores fueron desarrollados para permitir comprender las propiedades bioactivas de andamios de diferentes materiales y la mecanoregulación del comportamiento de células o tejidos. Un sistema de bioreactor de perfusión in vitro fue desarrollado para el sembrado y cultivo de células incorporadas en cilindros de un biomaterial poroso. Varios estudios para la determinación de los parámetros del sembrado de células aplicable se llevaron a cabo, así como experimentos de cultivo de células bajo flujo de fluido constante con una estimulación mecánica adicional por alternancia del flujo.<br/><br/>Un sistema de cámara ósea fue desarrollado como un bioreactor in vivo. El sistema produjo un defecto óseo grande en tibias de perros y permitió la implantación repetida de grandes andamios porosos de materiales diferentes. El tejido creciendo en los andamios permite extraer conclusiones sobre las propiedades de osteoconductividad u osteinductividad de los andamios. Además, un dispositivo de compresión se ha desarrollado para aplicar cargas cíclicas en los andamios en vivo para estudiar el efecto de la estimulación mecánica en el desarrollo de los tejidos.<br/><br/>Los estudios con el sistema de perfusión desarrollado han demostrado que el sembrado de células en grandes andamios porosos es posible, lo que se considera crucial para el cultivo celular. El largo tiempo de cultivo de células mostró la proliferación de las células madre mesenquimales hasta dos semanas. El patrón de estimulación utilizado en el estudio aumentó la expresión de la osteocalcina, lo que indica una mayor actividad de las células, pero la ausencia de expresión de RunX2 y colágeno I impidió la determinación concluyente de la diferenciación.<br/><br/>El sistema desarrollado de la cámara ósea demostró su funcionalidad en el entorno quirúrgico durante los experimentos in vivo. Complicaciones durante los experimentos no permitieron la aplicación de las cargas cíclicas de los andamios implantados. La formación de hueso retrasada debido al defecto óseo creado y material de andamios restantes no permitieron conclusiones definitivas acerca de las propiedades del material del andamio. Sin embargo, el estudio proporciona datos para el desarrollo futuro del dispositivo y protocolo clínico.<br/><br/><br/>Los estudios realizados constituyen una novedad en respecto a la creación de bioreactores para el estudio de la andamios porosos sintéticos de grandes dimensiones in vitro e in vivo. Los sistemas desarrollados constituyen la base para otros estudios en mecanobiología de las células óseas y los tejidos.

Large bone defects constitute a challenge for the clinical field, because they cannot be repaired by the body itself, but require the implantation of suitable bone grafts. To overcome the drawbacks of grafts from autologous or allogous sources, modern bone tissue engineering aims to replace lost tissue by cultivating cells in vitro on porous biomaterials. The cell culture on large porous scaffolds has shown to be difficult, requiring bioreactors, which are used for tissue culture and the study of cell behaviour in 3D scaffolds. Of special interest is the mechanical conditioning of the cultured tissue for bioreactor-based bone tissue engineering, which is able to enhance the osteogenic potential of the synthetic grafts.<br/><br/>In this work two bioreactor systems were developed to allow insight into bioactive properties of different scaffold materials and the mechanoregulation of cell or tissue behaviour. An in vitro perfusion bioreactor system was developed for the cell seeding and culture on porous biomaterial cylinders. Several studies for the determination of applicable cell seeding parameters were conducted, as well as experiments of cell culture under steady fluid flow with additional mechanical stimulation by alternating fluid flow. A bone chamber system was developed as an in vivo bioreactor. The system produced a large bone defect in dog tibia and allowed the repeated implantation of large porous scaffolds of different material compositions.<br/>The ingrowing tissue was observed to allow conclusions about osteoconductive or osteinductive properties of the scaffolds. Additionally a compression device was developed to apply cyclic loading on the scaffolds in vivo to study the effect of mechanical stimulation on tissue development.<br/><br/>The studies with the developed in vitro perfusion bioreactor system have shown that it is possible to seed cells throughout large porous scaffolds, which is deemed crucial for the further cell culture. The long time cell culture showed the proliferation of mesenchymal stem cells up to two weeks. The stimulation pattern used in the study enhanced the expression of osteocalcin, indicating an enhanced cell activity, but the absence of RunX2 and collagen I expression rendered the determination of differentiation inconclusive.<br/>The developed bone chamber system proved to be functional in the surgical environment during the in vivo experiments. Occurring complications during the experiments did not allow the application of the cyclic loading of implanted scaffolds. Delayed bone formation due to created bone defect and remaining scaffold material did not allow final conclusions about the scaffold material properties. Nevertheless the study provides input for further development of the device and clinical protocol.<br/><br/>The conducted studies constitute a novelty regarding the creation of bioreactors for the study of synthetic porous scaffolds of large dimensions in vitro and in vivo. The developed systems form the basis for further studies in mechanobiology of bone cells and tissue.