logo 48 | das Camlog Partnermagazin 12 | Wissenschaft Positive Auswirkungen dreidimensionaler kollagenbasierter Matrizen auf das Verhalten von Osteoprogenitorzellen Ziel Aktuelle Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass verstärkte dreidimensionale (3D) Kollagenmatrizen ein stabiles Gerüst zur Rehabilitation von verlorenem Volumen bei defizitärem Alveolarknochen darstellen. In der vorliegenden Studie wurde das Migrations-, Adhäsions-, Proliferations- und Differenzierungspotenzial von mesenchymalen Stroma-ST2-Zellen und präosteoblastischen MC3T3-E1-Zellen als Reaktion auf vier verschiedene 3D-Kollagenmatrizen vergleichend untersucht. Getrocknete azelluläre Dermalmatrix (DADM), hydratisierte azelluläre Dermalmatrix (HADM/NovoMatrix™), nicht vernetzte Kollagenmatrix (NCM) und vernetzte Kollagenmatrix (CCM) verbesserten alle die Motilität der Osteoprogenitorzellen. Resultat Im Vergleich zu DADM und NCM lösten HADM und CCM eine stärkere Migrationsreaktion aus. Während Zellen in Kombination mit DADM und NCM vergleichbare Proliferationsraten aufwiesen wie Kontrollzellen ohne zusätzliche Anwendung von Biomaterialien, vermehrten sich Zellen auf HADM und CCM deutlich schneller. Die proliferationsfördernde Wirkung der beiden Matrizen wurde durch eine erhöhte Genexpression zur Regulierung der Zellteilung unterstützt. In den Zellen dieser beiden Gerüste wurde eine erhöhte Genexpression für die adhäsiven Moleküle Fibronektin, Vinculin, CD44-Antigen und das intrazelluläre adhäsive Molekül-1 beobachtet, was auf hervorragende adhäsive Eigenschaften der untersuchten Biomaterialien schließen lässt. Im Gegensatz zu den Genen für Knochenmatrixproteine Kollagen Typ I (Col1a1) und Osteopontin (Spp1), welche in allen Arten von Matrizen induziert wurden, war die Expression der osteogenen Differenzierungsmarker Runx2, Alpl, Dlx5, Ibsp, Bglap2 und Phex in Zellen auf HADM und CCM signifikant erhöht. Die kurze/klinisch relevante Vorbeschichtung der 3D-Biomaterialien mit SchmelzMatrix-Derivat (EMD) oder rekombinantem morphogenetischem Knochenprotein-2 (rBMP-2) steigerte die osteogene Differenzierung beider Osteoprogenitor-Zelllinien auf allen Matrizen signifikant, einschließlich DADM und NCM. Dies deutet darauf hin, dass die biologische Aktivität von EMD und BMP-2 auch nach Freisetzung aus den Matrizen erhalten bleibt. EMD löste die Expression aller für die Osteogenese zusammenhängenden Gene aus, während rBMP-2 die Expression früher, intermediärer und später osteogener Differenzierungs-Marker mit Ausnahme von Col1a1 und Spp1 hochregulierte. Schlussfolgerung Zusammengefasst unterstützen die Ergebnisse den positiven Einfluss von HADM und CCM auf die Rekrutierung, das Wachstum und die osteogene Differenzierung der Osteoprogenitor-Zelltypen. Darüber hinaus bekräftigen die Daten, dass die Biofunktionalisierung der kollagenbasierten Matrizen mit EMD oder rBMP-2 eine mögliche Behandlung bei Knochendefekten in der klinischen Praxis darstellt. Ein weiterer Beweis für das klinische Potential von NovoMatrixTM, einer porcinen azellulären dermalen Matrix, bei Behandlungen von Knochendefekten Lin Z, Nica C, Sculean A, Asparuhova MB. Positive effects of three-dimensional collagen-based matrices on the behavior of osteoprogenitors. Front Bioeng Biotechnol. 2021;9:708830. doi: 10.3389/fboie.2021.708830. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8334008/ Positive Effects of Three-Dimensional Collagen-Based Matrices on the Behavior of Osteoprogenitors Zhikai Lin1,2,3, Cristina Nica1,2, Anton Sculean2 and Maria B. Asparuhova1,2* 1Laboratory of Oral Cell Biology, Dental Research Center, School of Dental Medicine, University of Bern, Bern, Switzerland, 2Department of Periodontology, School of Dental Medicine, University of Bern, Bern, Switzerland, 3Department of Periodontology, Shanghai Ninth People’s Hospital, Shanghai Jiao Tong University School of Medicine, College of Stomatology, Shanghai Jiao Tong University, National Center for Stomatology, National Clinical Research Center for Oral Diseases, Shanghai Key Laboratory of Stomatology, Shanghai, China Recent research has demonstrated that reinforced three-dimensional (3D) collagenmatrices can provide a stable scaffold for restoring the lost volume of a deficient alveolar bone. In the present study, we aimed to comparatively investigate the migratory, adhesive, proliferative, and differentiation potential of mesenchymal stromal ST2 and pre-osteoblastic MC3T3-E1 cells in response to four 3D collagen-based matrices. Dried acellular dermal matrix (DADM), hydrated acellular dermal matrix (HADM), non-crosslinked collagen matrix (NCM), and crosslinked collagen matrix (CCM) did all enhance the motility of the osteoprogenitor cells. Compared to DADM and NCM, HADM and CCM triggered stronger migratory response. While cells grown on DADM and NCM demonstrated proliferative rates comparable to control cells grown in the absence of a biomaterial, cells grown on HADM and CCM proliferated significantly faster. The pro-proliferative effects of the two matrices were supported by upregulated expression of genes regulating cell division. Increased expression of genes encoding the adhesive molecules fibronectin, vinculin, CD44 antigen, and the intracellular adhesive molecule-1 was detected in cells grown on each of the scaffolds, suggesting excellent adhesive properties of the investigated biomaterials. In contrast to genes encoding the bone matrix proteins collagen type I (Col1a1) and osteopontin (Spp1) induced by all matrices, the expression of the osteogenic differentiation markers Runx2, Alpl, Dlx5, Ibsp, Bglap2, and Phex was significantly increased in cells grown on HADM and CCM only. Short/clinically relevant pre-coating of the 3D biomaterials with enamel matrix derivative (EMD) or recombinant bone morphogenetic protein-2 (rBMP-2) significantly boosted the osteogenic differentiation of both osteoprogenitor lines on all matrices, including DADM and NCM, indicating that EMD and BMP-2 retained their biological activity after being released from the matrices. Whereas EMD triggered the expression of all osteogenesisrelated genes, rBMP-2 upregulated early, intermediate, and late osteogenic differentiation markers except for Col1a1 and Spp1. Altogether, our results support favorable influence of HADM and CCM on the recruitment, growth, and osteogenic differentiation of the osteoprogenitor cell types. Furthermore, our data strongly support the biofunctionalization of the collagen-based matrices with EMD or rBMP-2 as a potential treatment modality for bone defects in the clinical practice. Keywords: three-dimensional biomaterials, xenografts, bone regeneration, periodontal regeneration, osteogenesis, growth factors, gene expression, transcription Edited by: Nikos Donos, Queen Mary University of London, United Kingdom Reviewed by: Olivier Huck, Université de Strasbourg, France Asaf Wilensky, Hadassah Medical Center, Israel *Correspondence: Maria B. Asparuhova mariya.asparuhova@zmk.unibe.ch Specialty section: This article was submitted to Tissue Engineering and Regenerative Medicine, a section of the journal Frontiers in Bioengineering and Biotechnology Received: 12 May 2021 Accepted: 05 July 2021 Published: 21 July 2021 Citation: Lin Z, Nica C, Sculean A and Asparuhova MB (2021) Positive Effects of Three-Dimensional Collagen-Based Matrices on the Behavior of Osteoprogenitors. Front. Bioeng. Biotechnol. 9:708830. doi: 10.3389/fbioe.2021.708830 Frontiers in Bioengineering and Biotechnology | www.frontiersin.org July 2021 | Volume 9 | Article 708830 1 ORIGINAL RESEARCH published: 21 July 2021 doi: 10.3389/fbioe.2021.708830
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