Aby poradzić sobie ze współczesnymi problemami w naprawie ścięgien i więzadeł, potrzebny jest odpowiedni kandydat na komórkę odpowiedni do terapii komórkowych. Jednym z kierunków badań w inżynierii tkankowej w celu naprawy ścięgien jest badanie mezenchymalnych komórek zrębowych pochodzących ze szpiku kostnego (BM-MSC) i komórek zrębowych pochodzących z tkanki tłuszczowej (ASC) jako potencjalnych strategii. Komórki te mają zdolność multipotencjalną, dużą obfitość i potencjał regeneracyjny in vivo. Dodatkowo wykazały zwiększoną zdolność gojenia i lepsze wyniki funkcjonalne w modelach zwierzęcych1. Niemniej jednak komórki te wykazują ograniczone zdolności do samoodnawiania, różnorodność fenotypową, a zwłaszcza ograniczoną zdolność do tworzenia ścięgien. Technologia indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) stanowi rozwiązanie tych ograniczeń ze względu na swoją niezwykłą zdolność do samoodnawiania się i niezrównane zdolności adaptacyjne do rozwoju. Nasz zespół badawczy i inni osiągnęli pomyślne różnicowanie iPSC w mezenchymalne jednostki podobne do komórek zrębu (iMSC)2,3. W związku z tym iMSC mają potencjał, aby stać się allogenicznym źródłem zastosowań w terapii komórek ścięgnistych.
Twardówka (SCX) jest czynnikiem transkrypcyjnym niezbędnym do rozwoju ścięgien i jest uważana za najwcześniejszy wykrywalny marker dla zróżnicowanych tenocytów. Dodatkowo SCX aktywuje markery różnicowania ścięgien, w tym między innymi kolagen łańcuchowy typu 1a1 1 (COL1a1), irokez (MKX) i tenomodulinę (TNMD)4,5,6. Inne geny ulegające ekspresji podczas dojrzewania ścięgien obejmują białko promujące polimeryzację tubuliny 3 (TPPP3) i receptor alfa czynnika wzrostu pochodzenia płytkowego (PDGFRa) 7. Chociaż geny te są niezbędne do rozwoju i dojrzewania ścięgien, niestety nie są unikalne dla tkanki ścięgna i ulegają ekspresji w innych tkankach mięśniowo-szkieletowych, takich jak kości lub chrząstki5,7.
Oprócz ekspresji markerów podczas rozwoju ścięgien, mechanostymulacja jest niezbędnym elementem rozwoju i gojenia ścięgien embrionalnych4,5,6. Ścięgna są mechanofarelacyjne, a ich wzorce wzrostu zmieniają się w odpowiedzi na środowisko. Na poziomie molekularnym sygnały biomechaniczne wpływają na rozwój, dojrzewanie, utrzymanie i gojenie tenocytów8. Do modelowania obciążeń fizjologicznych i sygnałów biomechanicznych wykorzystano różne systemy bioreaktorów. Niektóre z tych systemów modelowych obejmują ładowanie tkanek ex vivo, systemy ładowania komórek 2D wykorzystujące napięcie dwuosiowe lub jednoosiowe oraz systemy 3D wykorzystujące rusztowania i hydrożele9,10. Systemy 2D są korzystne podczas badania wpływu stymulacji mechanicznej na geny specyficzne dla ścięgien lub morfologię komórek w kontekście losu komórki, podczas gdy systemy 3D mogą dokładniej replikować interakcje komórka-ECM9,10.
W systemach ładowania 2D, szczep między komórkami a substratem hodowli jest jednorodny, co oznacza, że obciążenie cytoszkieletu komórek może być w pełni kontrolowane. W porównaniu z obciążeniem dwuosiowym, obciążenie jednoosiowe jest bardziej istotne fizjologicznie, ponieważ tenocyty są głównie poddawane obciążeniu jednoosiowemu z wiązek kolagenu in vivo9. Stwierdzono, że podczas codziennych czynności ścięgna są poddawane jednoosiowemu obciążeniu rozciągającemu do 6% odkształcenia11. W szczególności poprzednie badania wykazały, że obciążenie w fizjologicznych zakresach 4%-5% sprzyja różnicowaniu tenogenicznemu poprzez zachowanie ekspresji markerów związanych ze ścięgnami, takich jak SCX i TNMD, a także zwiększoną produkcję kolagenu9,10. Szczepy powyżej 10% mogą być traumatyczne, ale nie są istotne fizjologicznie12,13.
Tutaj prezentowany jest protokół, który uwzględnia synergiczny efekt mechanicznej i biologicznej stymulacji, która może być niezbędna do generowania tenocytów. W pierwszej kolejności opisano powtarzalną metodę indukcji iPSC do iMSC poprzez krótkotrwałą ekspozycję ciał zarodkowych na czynniki wzrostu, potwierdzone markerami powierzchniowymi MSC za pomocą cytometrii przepływowej. Następnie szczegółowo opisujemy metodę transdukcji lentiwirusowej w celu zaprojektowania iMSC tak, aby miały stabilną nadekspresję SCX (iMSCSCX+). W celu dalszego dojrzewania komórki, iMSCSCX+ są umieszczane w silikonowych płytkach pokrytych fibronektyną i poddawane zoptymalizowanemu protokołowi jednoosiowego napięcia przy użyciu bioreaktora CellScale MCFX. Potencjał tenogeniczny został potwierdzony poprzez obserwację regulacji w górę wczesnych i późnych markerów ścięgien, a także odkładania kolagenu14. Ta metoda generowania iTenocytów jest dowodem słuszności koncepcji, która może stanowić nieograniczone, gotowe do użycia, allogeniczne źródło do zastosowań w terapii komórek ścięgnistych.