流體流動引起的剪切應力可改善組織工程的軟骨
體外組織工程通常沒有納入血管系統(tǒng)，而是依賴于靜態(tài)培養(yǎng)，限制了可溶性因子的轉(zhuǎn)移，并消除了流體誘導的機械信號。組織工程旨在創(chuàng)造可植入的生物材料，用于修復和再生受損組織。這限制了對營養(yǎng)物質(zhì)的獲取并且缺乏機械信號。
為了研究如何利用流體流動來增強新組織的特性，研究團隊選擇了自組裝的新軟骨作為模型。在這一系列實驗中，研究人員設計并開發(fā)了一種新的裝置，通過使用軌道振動器產(chǎn)生振蕩的流體運動，將剪切應力施加到新軟骨。當流體流過新軟骨時，新軟骨保持在固定的位置，在新軟骨結(jié)構(gòu)的表面上產(chǎn)生剪切應力。該團隊還確定了一種優(yōu)化的對新軟骨的FIS應力加載方案，并研究了一種參與改善細胞外基質(zhì)特性的細胞信號通路。
圖 1 闡明流體誘導剪切應力作用的一系列研究概述
（b）體外組織工程研究使用牛和人類細胞，以驗證FIS應力導致新軟骨密度和力學特性增強的假設。
（c）在無胸腺小鼠的體內(nèi)的研究，以驗證FIS應力刺激的新軟骨在植入后向固有值重塑的假設。
（d）RNA測序，然后進行通路分析，以闡明FIS應激激活的機械轉(zhuǎn)導通路。
此外，該團隊設計了一種能夠在直徑 5mm 的自組裝新軟骨結(jié)構(gòu)上誘導 FIS 應力刺激的裝置
在一系列的六項研究中，該團隊研究了使用流體誘導的剪切應力來增強使用自組裝過程的組織工程軟骨的形成。
在第一項研究中，設計了 FIS 應力裝置并使用計算流體動力學來預測裝置中產(chǎn)生的 FIS 應力范圍，確定了 FIS 應力裝置可以對新軟骨結(jié)構(gòu)施加不同范圍的剪切應力，跨越多個數(shù)量級：0-0.01 Pa、0.07-0.15 Pa、0.05-0.21 Pa、0.37-0.70 Pa 和 0.25-0.85 Pa。
在第二項研究中，發(fā)現(xiàn)在0.05-0.21 Pa的最佳FIS應力下，新軟骨的力學和生化性能優(yōu)于對照組和其他剪切應力試驗組。
在第三項研究中，采用了最優(yōu)的FIS應力加載條件，并與生物活性劑相結(jié)合，以改善新軟骨的生化和力學性能。
在第四項研究中，將新軟骨結(jié)構(gòu)植入無胸腺小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)它們在體內(nèi)向固有特征重塑和成熟。
在第五項研究中，成功地將最佳 FIS 應力刺激加載條件轉(zhuǎn)化為人類軟骨組織培養(yǎng)。
在第六項研究中，闡明了人類和牛軟骨細胞的初級纖毛上的復合物，該復合物對流體流動敏感，可能是觀察到的改善的原因。
在這項實驗中，該團隊報道了一種剪切應力加載裝置的設計和使用，該裝置成功地將流體流動引起的剪切應力應用于組織工程軟骨，增強了壓縮、剪切、拉伸、結(jié)構(gòu)和生化特性。該裝置能夠誘導跨越 0-0.85 Pa 的 FIS 應力，可能適用于基于支架和無支架的新組織培養(yǎng)，包括組織工程骨、肌肉、肌腱、韌帶和纖維軟骨。
這項工作具有重要意義，因為它全面研究了流體誘導的剪切應力如何通過基于初級纖毛的機械傳導來改善新軟骨形成。重要的是，該團隊證明了應用FIS應力的大小可以被調(diào)節(jié)，從而在組織工程結(jié)構(gòu)的機械、結(jié)構(gòu)和生化特性方面獲得巨大的改善。
參考文獻：Salinas EY, Aryaei A, Paschos N, Berson E, Kwon H, Hu JC, Athanasiou KA. Shear stress induced by fluid flow produces improvements in tissue-engineered cartilage. Biofabrication. 2020 Aug 10;12(4):045010. doi: 10.1088/1758-5090/aba412. PMID: 32640430; PMCID: PMC8020626.
原文鏈接：https://pubmed-ncbi-nlm-nih-gov.proxy.library.carleton.ca/32640430/
圖片來源：所有圖片均來源于參考文獻
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