Insights of Bone-Remodeling : Limitations and Alternatives in Bone Tissue Engineering

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7679-0
Title: Insights of Bone-Remodeling : Limitations and Alternatives in Bone Tissue Engineering
Author: Kornilov, Roman
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine
Doctoral Programme in Oral Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-11-19
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7679-0
http://hdl.handle.net/10138/335584
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Defects in bone structures are extensive problems, faced by millions of people worldwide. Still, current methods do not always provide a satisfactory result in restoring functions after trauma or disease treatment. Bone tissue engineering methods require refinement; therefore, cell-derived agents could be used to enhance treatment outcomes. The extracellular vesicles (EVs) are potential new agents that could improve bone formation in tissue engineering. EVs are released from the cellular membrane and contain mRNA, miRNA and other tissue factors, affecting recipient cells. As EVs can initiate cell differentiation, it is important to understand the mechanisms behind their operation, since they have shown applicability as biomimetic tools for guided lineage-specific differentiation and cell-free therapies. In this thesis, a novel cost-effective and easily standardizable method for EV isolation was developed, based on ultrafiltration of cell culture media. The method may be used in a wide range of cell culture applications increasing reproducibility of EV research results between laboratories. As EVs are proposed to be central in intercellular communication, the potency of EVs from activated monocytes (MC) and osteoclasts was evaluated on adipose tissue mesenchymal stromal cells (MSCs). The EVs from activated MCs promoted secretion of cytokines, potentially representing an immunomodulatory mechanism, while also upregulating gene expression of matrix metalloproteinases in MSCs, affecting tissue remodeling. Further, to investigate the role of EVs in malignant bone conditions, MSCs and pre-osteoblasts were treated with EVs released from osteosarcoma cells (OS-EVs) and the epigenetic signature of OS-EVs was assessed. Overall, this study provided evidence that epigenetic regulation appears to be an early event in the transformation of MSCs during the development of OS. To develop new methods for tissue engineering, we conducted an in vivo study on minipigs. The minipig was selected as the large animal model of choice due to physiological and anatomical similarities of the jaws and teeth with humans. To reconstruct a large continuous defect in the mandible, a composite consisting of PTMC (poly[trimethylene carbonate]) and calcium phosphate ceramic was tested in a mechanically loaded area. The bioimplant scaffolds were manufactured individually based on CT imaging data from each minipig using computer-aided design and manufacturing (CAD-CAM). The mandibular defect was stabilized with custom-made 3D printed titanium reconstruction plates as the bioimplant itself was not load-bearing. The results of this thesis work investigated different strategies in bone remodeling, e.g., the effect and mechanisms of EVs on the immune system and bone remodeling as well as in malignant transformation. Further studies are necessary to confirm the proof-of-concept in bone remodeling to implement these strategies in patient treatments.Luupuutokset leukojen ja kasvojen alueella ovat laaja ongelma, joka koskettaa miljoonia ihmisiä maailmassa. Tällä hetkellä käytössä olevat menetelmät eivät aina tarjoa toiminnallisesti ja esteettisesti tyydyttäviä tuloksia. Soluviljelykokeissa käytetään usein kasvatusliuoksessa naudan seerumia lisäravinteena. Tässä väitöskirjassa kehitettiin uusi kustannustehokas ja helposti standardisoitava menetelmä EV-eristykseen, joka perustuu seerumin ultrasuodatukseen ja tarjoaa merkittävää parannusta nykyisiin käytössä oleviin menetelmiin. Koska EV:t ovat keskeisiä tekijöitä solujen välisessä viestinnässä, selvitimme aktivoituneista monosyyteistä ja osteoklasteista peräisin olevien EV:den vaikutus rasvakudosperäisten kantasolujen geenien ilmentymiseen. Aktivoituneiden monosyyttien EV:t edistivät kantasolujen sytokiinien eritystä, kuvastaen EV:den immunomoduloivaa mekanismia, sekä myös matriisimetalloproteinaasien geenien ilmentymiseen, vaikuttamalla luun mikroympäristön uudistumiseen. EV:en merkitystä tutkittiin lisäksi myös pahanlaatuisen kasvaimen, osteosarkooman (OS), kehittymisessä, altistamalla kudosperäisiä kantasoluja ja pre-osteoblasteja OS-soluista peräisin olevilla EV:llä (OS-EV). Tutkimuksemme osoitti, että OS-EV:t vaikuttivat muokkaamalla sekä kudosperäisten kantasolujen epigeneettistä tilaa, että luun mikroympäristön uudistumiseen liittyvien geenien ilmentymistä. Näin ollen osoitimme, että epigeneettinen säätely voisi olla varhaisimpia tapahtumia kudosperäisten kantasolujen transformaatiossa OS:n muodostuksessa. Kehittääksemme uusia kudosteknologisia menetelmiä luukudoksen tuottamiseksi, suoritimme in vivo-tutkimuksen minisialla. Ihmisen ja minisian hampaiden ja leukojen samankaltaisuuksien vuoksi minisika valikoitui tutkimuksemme eläinmalliksi. Jokainen bioimplantti valmistettiin yksilöllisesti minisian leuan tietokonetomografian kuvantamisdatan pohjalta, tietokoneavusteisen suunnittelun ja valmistuksen (CAD-CAM) avulla. Alaleuka tuettiin yksilöidyillä mittatilaustyönä tehdyillä 3D-tulostetuilla titaanirekonstruktiolevyillä, koska itse bioimplantti ei yksin olisi kestänyt pureskelusta ja muusta purentaelimen toiminnasta syntyviä voimia. Tämän väitöskirjan tulokset osoittivat EV:en vaikuttavan solujen immuunijärjestelmään ja mikroympäristöön, sekä luun uudistumisessa että luusyövän muodostumisessa. Kuitenkin, lisätutkimukset ovat välttämättömiä luun uudistamisen konseptien vahvistamiseksi kudosteknologisten strategioiden toteuttamiseksi potilashoidoissa.
Subject: translational research on oral and maxillofacial sciences
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
kornilov_roman_dissertation_2021.pdf 7.699Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record