Effect of modification of collagen/chitosan materials on the growth and ALP activity of dental mesenchymal cells

W regeneracji ubytków kostnych powstałych w efekcie licznych schorzeń czy też urazów mechanicznych, obiecującym podejściem przywracającym funkcjonalność tkanki jest inżynieria tkankowa. Technika ta opiera się na tzw. triadzie inżynierii tkankowej w skład, której wchodzą żywe komórki, rusztowania oraz cząsteczki aktywne wpływające na funkcjonowanie komórek i formowanie się tkanki. Na dużą uwagę zasługują polimerowe rusztowania 3D wspierające adhezję, różnicowanie i proliferację komórek. Materiały te można poddawać różnym modyfikacjom mającym na celu polepszanie ich właściwości i dokładniejsze odwzorowanie naturalnego środowiska kości. Do takich modyfikacji możemy zaliczyć mineralizację, przeprowadzaną in vitro w celu wdrożenia elementu biomimetyki oraz dializę mającą na celu zwiększenie biozgodności rusztowań. W przedstawionych badaniach testowano materiały kolagenowe z dodatkami kwasu ferulowego, galusowego oraz kawowego, dializowane lub nie jak również materiały kompozytowe na bazie kolagenu i chitozanu z dodatkami kwasu taninowego, krzemianu potasu oraz Bioszkła Hench’a®, mineralizowane lub nie, pod kątem ich wpływu na żywotność komórek oraz aktywność zasadowej fosfatazy (ALP) – enzymu będącego wskaźnikiem wczesnej osteogenezy. W badaniach wykorzystano ludzkie dentalne komórki mezenchymalne: miazgi zęba (hDPSC) oraz więzadła okołozębowego (hPDLSC). Otrzymane wyniki wskazują, iż dializa materiałów kolagenowych wpływa na obniżenie żywotności komórek przy jednoczesnym wzroście aktywności ALP komórek. Natomiast mineralizacja materiałów kompozytowych znacząco zwiększa żywotność komórek, lecz powoduje też spadek aktywności ALP komórek. Również zastosowany typ dodatku ma istotny wpływ na oba parametry. Modyfikacje materiałów kwasem kawowym, galusowym lub krzemianem potasu dają najbardziej obiecujące wyniki pod względem zwiększenia ich biozgodności i pozytywego wpływu na inicjację regeneracji tkanki kostnej. Przeprowadzone badania pozwoliły także określić optymalną zawartość krzemianu potasu dla zwiększenia ALP komórek- 5% PS. Informacje płynące z niniejszej pracy podkreślają istotną biologiczną rolę modyfikacji materiałów kolagenowych oraz kolagenowo-chitozanowych, a zatem mogą mieć znaczenie w procesie projektowania rusztowań wykorzystywanych w regeneracji ubytków kostnych.Tissue engineering is a promising approach in the regeneration of bone defects caused by numerous diseases or mechanical injuries. This technique is based on tissue engineering triad consisting of living cells, scaffolds and signaling molecules that influence cell function and tissue formation. One of the most appealing materials used in tissue engineering nowadays are natural polymeric scaffolds that support cell adhesion, proliferation and differentiation. These materials can be modified in order to improve their chemical and physical properties and better imitation of the natural environment of the bone. Such modifications is mineralization carried out in vitro in order to biomimetics and dialysis in order to improve biocompatibility. In this study collagen scaffolds with addition of ferulic acid, gallic acid or caffeic acid – all with or without dialysis - and collagen-chitosan composite materials with the addition of tannic acid, potassium silicate and Hench Bioglass® - all with or wihout mineralization - were tested for cell viability and osteogenic differentiation of human dental mesenchymal stromal cells: dental pulp stromal cell (hDPSC) and periodontal ligament stromal cells (hPDLSC). Moreover, the impact of modifications of collagen-chitosan composites were examined under osteogenic differentiation conditions. The obtained results indicate that dialysis leads to a decrease in cell viability, while having a positive impact on an alkaline phosphatase activity (ALP) in cells - early marker of osteoblast differentiation. Whereas mineralization significantly increases cell viability, the mineralized materials are characterized by a lower cell potential for osteoblast differentiation in comparison to materials without mineralization. The type of additive also affects both parameters. The most promising results, in terms of increasing their biocompatibility and a positive effect on the initiation of bone tissue regeneration, were obtained for materials with gallic acid, caffeic acid and potassium silicate. The conducted research also allowed to determine the optimal content of potassium silicate which is 5% PS. These results shed some light on key biological role of modifications of collagen and collagen-chitosan materials and could play a significant role in the design of the scaffolds dedicated for the regeneration of bone defects