流體流動引起的剪切應(yīng)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(dǎo)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(fù)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(shè)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(yīng)力施加到新軟骨。當(dāng)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(yīng)力。該團隊還確定了一種優(yōu)化的對新軟骨的FIS應(yīng)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(dǎo)剪切應(yīng)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(yīng)力導(dǎo)致新軟骨密度和力學(xué)特性增強的假設(shè)。
（c）在無胸腺小鼠的體內(nèi)的研究，以驗證FIS應(yīng)力刺激的新軟骨在植入后向固有值重塑的假設(shè)。
（d）RNA測序，然后進行通路分析，以闡明FIS應(yīng)激激活的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。
此外，該團隊設(shè)計了一種能夠在直徑 5mm 的自組裝新軟骨結(jié)構(gòu)上誘導(dǎo) FIS 應(yīng)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(dǎo)的剪切應(yīng)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(shè)計了 FIS 應(yīng)力裝置并使用計算流體動力學(xué)來預(yù)測裝置中產(chǎn)生的 FIS 應(yīng)力范圍，確定了 FIS 應(yīng)力裝置可以對新軟骨結(jié)構(gòu)施加不同范圍的剪切應(yīng)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(yīng)力下，新軟骨的力學(xué)和生化性能優(yōu)于對照組和其他剪切應(yīng)力試驗組。
在第三項研究中，采用了最優(yōu)的FIS應(yīng)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(xué)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(yīng)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(fù)合物，該復(fù)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(yīng)力加載裝置的設(shè)計和使用，該裝置成功地將流體流動引起的剪切應(yīng)力應(yīng)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(dǎo)跨越 0-0.85 Pa 的 FIS 應(yīng)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(dǎo)的剪切應(yīng)力如何通過基于初級纖毛的機械傳導(dǎo)來改善新軟骨形成。重要的是，該團隊證明了應(yīng)用FIS應(yīng)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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