Tissue engineering strategies for biomaterial-based anticancer drug delivery and enhancement of angiogenesis in tumor-resected bone

Patienten, die an Osteosarkom leiden werden derzeit mit intravenös applizierten krebstherapeutischen Mitteln nach Tumorresektion behandelt, was oftmals mit schweren Nebenwirkungen und einem verzögerten Knochenheilungsprozess einhergeht. Darüber hinaus treten vermehrt Rezidive aufgrund von verbleibenden neoplastischen Zellen an der Tumorresektionsstelle auf. Erfolgreiche Knochenregeneration und die Kontrolle von den im Gewebe verbleibenden Krebszellen stellt eine Herausforderung für das Tissue Engineering nach Knochenverlust durch Tumorentfernung dar. In dieser Hinsicht scheint der Einsatz von Hydroxyapatit als Knochenersatzmaterial in Kombination mit Cyclodextrin als Medikamententräger, vielversprechend. Chemotherapeutika können an Biomaterial gebunden und direkt am Tumorbett über einen längeren Zeitraum freigesetzt werden, um verbliebene neoplastische Zellen zu eliminieren. Lokal applizierte Chemotherapie hat diverse Vorteile, einschließlich der direkten zytotoxischen Auswirkung auf lokale Zellen, sowie die Reduzierung schwerer Nebenwirkungen. Diese Studie wurde durchgeführt, um die Funktionsfähigkeit eines solchen Arzneimittelabgabesystems zu bewerten und um Strategien im Bereich des Tissue Engineerings zu entwickeln, die den Knochenheilungsprozess und im speziellen die Vaskularisierung fördern sollen. Die Ergebnisse zeigen, dass nicht nur Krebszellen von der chemotherapeutischen Behandlung betroffen sind. Primäre Endothelzellen wie zum Beispiel HUVEC zeigten eine hohe Sensibilität Cisplatin und Doxorubicin gegenüber. Beide Medikamente lösten in HUVEC ein tumor-unterdrückendes Signal durch die Hochregulation von p53 und p21 aus. Zudem scheint Hypoxie einen krebstherapeutischen Einfluss zu haben, da die Behandlung sensitiver HUVEC mit Hypoxie die Zellen vor Zytotoxizität schützte. Der chemo-protektive Effekt schien deutlich weniger auf Krebszelllinien zu wirken. Diese Resultate könnten eine mögliche chemotherapeutische Strategie darstellen, um den Effekt eines zielgerichteten Medikamenteneinsatzes auf Krebszellen zu verbessern unter gleichzeitiger Schonung gesunder Zellen. Eine erfolgreiche Integration eines Systems, das Arzneimittel abgibt, kombiniert mit einem Biomaterial zur Stabilisierung und Regeneration, könnte gesunden Endothelzellen die Möglichkeit bieten zu proliferieren und Blutgefäße zu bilden, während verbleibende Krebszellen eliminiert werden. Da der Prozess der Knochengeweberemodellierung mit einer starken Beeinträchtigung der Lebensqualität des Patienten einhergeht, ist die Beschleunigung des postoperativen Heilungsprozesses eines der Ziele des Tissue Engineerings. Die Bildung von Blutgefäßen ist unabdingbar für eine erfolgreiche Integration eines Knochentransplantats in das Gewebe. Daher ist ein umfangreich ausgebildetes Blutgefäßsystem für einen verbesserten Heilungsprozess während der klinischen Anwendung wünschenswert. Frühere Experimente zeigen, dass sich die Anwendung von Ko-Kulturen aus humanen primären Osteoblasten (pOB) und humanen outgrowth endothelial cells (OEC) im Hinblick auf die Bildung stabiler gefäßähnlicher Strukturen in vitro, die auch effizient in das mikrovaskuläre System in vivo integriert werden konnten, als erfolgreich erweisen. Dieser Ansatz könnte genutzt werden, um prä-vaskularisierte Konstrukte herzustellen, die den Knochenheilungsprozess nach der Implantation fördern. Zusätzlich repräsentiert das Ko-Kultursystem ein exzellentes in vitro Model, um Faktoren, welche stark in den Prozess der Knochenheilung und Angiogenese eingebunden sind, zu identifizieren und zu analysieren. Es ist bekannt, dass Makrophagen eine maßgebliche Rolle in der inflammatorisch-induzierten Angiogenese spielen. In diesem Zusammenhang hebt diese Studie den positiven Einfluss THP-1 abgeleiteter Makrophagen in Ko-Kultur mit pOB und OEC hervor. Die Ergebnisse zeigten, dass die Anwendung von Makrophagen als inflammatorischer Stimulus im bereits etablierten Ko-Kultursystem zu einer pro-angiogenen Aktivierung der OEC führte, was in einer signifikant erhöhten Bildung blutgefäßähnlicher Strukturen in vitro resultierte. Außerdem zeigte die Analyse von Faktoren, die in der durch Entzündung hervorgerufenen Angiogenese eine wichtige Rolle spielen, eine deutliche Hochregulation von VEGF, inflammatorischer Zytokine und Adhäsionsmoleküle, die letztlich zu einer verstärkten Vaskularisierung beitragen. Diese Resultate werden dem Einfluss von Makrophagen zugeschrieben und könnten zukünftig im Tissue Engineering eingesetzt werden, um den Heilungsprozess zu beschleunigen und damit die klinische Situation von Patienten zu verbessern. Darüber hinaus könnte die Kombination der auf Ko-Kulturen basierenden Ansätze für das Knochen Tissue Engineering mit einem biomaterial-basierenden Arzneimittelabgabesystem zum klinischen Einsatz kommen, der die Eliminierung verbliebener Krebszellen mit der Förderung der Knochenregeneration verbindet.Patients diagnosed with osteosarcoma are currently treated with intravenous injections of anticancer agents after tumor resection, this being often associated with severe side effects and delayed bone healing processes. Moreover, due to remaining neoplastic cells at the site of tumor removal, cancer recurrence often occurs. Successful bone regeneration combined with the control of residual cancer cells presents a challenge for tissue engineering after bone loss due to tumor surgery. In this regard the use of hydroxyapatite as a bone graft substitute combined with cyclodextrin molecules that can serve as drug carriers seems promising. Chemotherapeutic drugs such as doxorubicin can be loaded on to the biomaterials and released over a period of time directly at the original tumor site to eliminate any residual neoplastic cells that could be responsible for cancer recurrence. Locally applied chemotherapy has several advantages, including the protection of the drug from metabolism, its direct cytotoxic impact on local cells and above all, the reduction of severe adverse side effects that occur during intravenous injection. Therefore, this study was undertaken to evaluate the feasibility of such drug delivery systems and to investigate tissue engineering strategies to promote bone healing and especially vascularization.rnThe results show that not only cancer cells are affected by chemotherapeutic treatment. Different cell types exhibited different sensitivities towards drug treatment. Primary endothelial cells such as HUVEC were shown to be highly sensitive to cisplatin or doxorubicin. Both agents triggered a tumor-suppressing response in primary endothelial cells by the up-regulation of p53 and p21. Importantly, hypoxia appears to have a cancer-therapeutic impact, as the treatment of drug-sensitive primary endothelial cells with hypoxia protected the cells from this cytotoxicity. The chemo-protective effect seemed to be far less prominent for tumor-inducing cancer cell lines. These findings might implicate a possible chemotherapeutic strategy to enhance the drug-targeting effect on tumor cells with the protection of more sensitive healthy cells. A successful integration of a drug delivery component, combined with a scaffold that offers the opportunity to stabilize the tissue around the removed bone in order to promote regeneration, might allow healthy endothelial cells to proliferate and form blood vessels to supply newly formed bone with nutrients, whilst eliminating residual neoplastic cells. rnAs the process of bone remodeling is always accompanied by a strong impairment of the patient's quality of life, it is one of the goals in tissue engineering to accelerate the healing process after surgery. The use of implantable materials represents one such approach. Hydroxyapatite that was used in this study was shown not to interfere with microvessel-like structures in vitro, this being important as hydroxyapatite is a suitable material for the replacement and regeneration of bone. The formation of blood vessels to ensure tissue supply of nutrients and oxygen is a conditio sine qua non for the successful integration of a bone graft into the host's tissue. Thus, an extensively formed vasculature could accelerate bone regeneration and is desirable for an improved healing process in clinical applications. rnIn the past, the use of co-cultures consisting of human primary osteoblasts and human primary endothelial cells has proved to be successful regarding the formation of stable microvessel-like structures in vitro, which can be efficiently integrated into microvascular system in vivo. This approach might be used to produce pre-vascularized scaffolds to promote bone healing after implantation. In addition, co-culture systems represent an excellent in vitro model to analyze and identify factors that are strongly involved in the process of bone healing, including angiogenesis. Macrophages are known to play a significant role in the formation of new blood vessels in inflammation-induced angiogenesis. In this context, the present study highlights the positive influence of macrophages in co-culture with osteoblasts and human primary endothelial cells. The findings showed that mimicking the natural cell response by using THP-1-derived macrophages as an inflammatory stimulus in the established co-culture system consisting of pOB and OEC has led to a pro-angiogenic activation of endothelial cells, resulting in a significantly increased formation of microvessel-like structures in vitro. In addition, the analysis of factors that play an important role during inflammation-induced angiogenesis, revealed a marked up-regulation of VEGF, inflammatory cytokines and adhesion molecules that ultimately contribute to an increased vascularization. These findings can be attributed to macrophage treatment and might be used in the future in a tissue engineering context to accelerate healing mechanisms and thus improve the clinical situation of patients. Moreover, combination of a co-culture based approach for bone tissue engineering with a scaffold-based drug delivery system might result in a complex clinical setup, which could simultaneously eliminate remaining cancer cells, while promoting bone regeneration.r