조직 생산의 유효성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13737(2023) 이 기사 인용

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생물반응기 시스템은 시험관 내에서 살아있는 뼈 이식편을 생성하는 매우 귀중한 도구입니다. 이 연구의 목적은 살아있는 뼈 구조물의 생산에서 회전 및 관류 생물반응기의 효과를 비교하는 것이었습니다. 인간 골수 유래 중간엽 줄기세포(BMDSC)를 수산화인회석 기반 지지체의 표면에 뿌리고 3가지 다른 조건에서 21일 동안 배양했습니다: (1) 정적 3D 배양, (2) 관류 생물반응기에서 3D 배양, ( 3) 회전하는 생물반응기에서의 동적 3D 배양. 세포 수의 정량적 평가는 관류 생물반응기에서의 배양이 회전 생물반응기 및 정적 배양에 비해 세포 증식을 유의하게 감소시켰다는 것을 보여주었습니다. 골형성 분화 시험은 회전 생물반응기에서 배양된 BMDSC가 관류 생물반응기에서 배양된 세포에 비해 훨씬 더 많은 양의 오스테오폰틴을 생산한다는 것을 입증했습니다. 더욱이, 라만 분광학은 회전하는 생물반응기에서 BMDSC의 배양이 수산화인회석(PO43- 그룹과 관련됨)의 B형 탄산 치환과 ECM에 비해 더 높은 미네랄 대 매트릭스 비율을 특징으로 하는 세포외 기질(ECM) 광물화를 강화한다는 것을 보여주었습니다. 관류 시스템에서 배양된 세포의 모습. 따라서, 회전 생물반응기는 시험관 내에서 뼈 조직 구조물의 생성에 있어서 관류 생물반응기보다 훨씬 더 효과적이라는 결론이 내려졌습니다.

수년에 걸쳐 뼈 조직 공학(BTE)은 뼈 결함 복원을 위한 임상 적용에 대한 관심이 증가해 왔습니다. BTE는 제한된 기증자 공급원, 기증자 부위 이환율 및 질병 전파와 같은 천연 뼈 이식편(자가 이식편, 동종 이식편 및 이종 이식편)의 수많은 단점을 극복할 수 있는 것으로 관찰되었습니다. 조직 공학적 뼈 이식의 적용에는 다음 단계가 포함됩니다: (i) 세포 분리 및 확장, (ii) 지지체 표면에서 세포 성장, (iii) 살아있는 뼈 이식편을 만들기 위한 세포 시드 생체 물질의 시험관 내 배양 및 (iii) 생산된 이식편을 부상 부위에 이식합니다1,2. 시험관 내에서 살아있는 뼈 이식편을 성공적으로 생성하기 위한 중요한 문제는 골조식 세포/중간엽 줄기 세포를 적절한 자극/인자에 노출시켜 생체 내 미세 환경을 모방하는 것입니다. 3차원(3D) 구조물의 기존 정적 배양 방법은 생체 내에서 발생하는 것과 유사한 뼈 조직을 얻기 위한 적절한 조건(예: 세포로의 충분한 영양분 수송)을 제공하기에 충분하지 않다는 것이 잘 알려져 있습니다. 따라서 생물반응기 시스템은 세포 배양 중에 중요한 매개변수를 제어하고 균질한 세포 분포, 충분한 가스 및 영양분 농도, 폐기물 제거 및 기계적 힘3,4을 제공함으로써 뼈 이식 생성의 견고성과 효율성을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다. 시험관 내에서 뼈 이식 생성에 적합한 조건을 제공할 수 있는 다양한 유형의 생물반응기 시스템(예: 관류 생물반응기, 회전 생물반응기, 스피너 플라스크 생물반응기)이 있습니다.

관류 생물반응기는 배양 배지를 연속적으로 관류하는 펌프 시스템을 사용하여 영양분과 가스의 적절한 대량 수송과 제어된 기계적 자극을 제공합니다5. 관류 시스템은 일반적으로 펌프, 배양 배지 저장소, 튜브 회로, 지지체를 보유하는 용기 및 폐기물 용기3,4로 구성됩니다. 이러한 시스템에서 중요한 매개변수는 세포의 미세 환경에 영향을 미치는 벽 전단 응력을 유도하여 뼈 형성 과정을 지원할 수 있는 배지의 유속입니다2,4. 여러 연구에 따르면 관류 생물반응기의 세포 배양은 골형성 관련 유전자(예: 오스테오폰틴(OPN), 골 알칼리성 포스파타제(bALP), 오스테오칼신)의 발현을 증가시켜 정적 배양에 비해 골조식세포/중간엽 줄기세포의 골형성 분화를 향상시키는 것으로 나타났습니다. (OC), I형 콜라겐(Col I))6,7,8. 결과적으로 동적 생물반응기(예: 회전식 생물반응기, 스피너 플라스크 생물반응기)는 주로 균일한 방식으로 영양분과 산소를 ​​공급하고 기계적 전달 신호 전달 경로를 활성화하여 골형성을 개선하는 데 중요한 역할을 하는 저전단 환경을 만들기 위해 개발되었습니다6,9. NASA(미 항공우주국)가 개발한 RCCS(회전식 세포 배양 시스템)는 상대 미세 중력 조건을 시뮬레이션하여 낮은 전단 환경과 최적의 물질 전달을 모두 제공합니다9. 가장 일반적인 RCCS는 회전 속도를 제어하는 ​​회전 베이스와 수평 회전 용기로 구성됩니다. 세포 파종 생체재료는 자유 낙하 방식으로 유지되거나 회전 용기의 바늘에 고정될 수 있습니다. 더욱이, 이러한 유형의 생물반응기는 생체재료 없이도 사용되어 생체 내 조직과 유사한 3D 세포 집합체를 생성할 수 있습니다2. 관류 생물반응기와 유사하게, 일부 연구에서는 회전 기반 배양 방법이 정적 배양에 비해 중간엽 줄기세포에서 골형성 관련 유전자(예: bALP, OC, Col I) 및 세포외 기질(ECM) 광물화의 발현을 증가시키는 것으로 나타났습니다10, 11,12.