The role of insulin and insulin-like growth factors (IGF) in osteogenesis. Delivery strategies in biomaterial substrates and scaffolds.

Potencjał mezenchymalnych komórek macierzystych (MSC) do różnicowania w funkcjonalne komórki tworzące kość stanowi ważne narzędzie dla regeneracji tkanki kostnej. Identyfikacja mechanizmów wywołujących osteogenne różnicowanie jest istotne w celu rozwinięcia nowych terapii promujących kościotworzenie. Hormony i czynniki wzrostu są regulatorami rozwoju i różnicowania osteoblastów i mogą być traktowane jako wskaźniki osteogenezy. Celem pracy było zebranie informacji dotyczących wpływu insuliny oraz insulinopodobnych czynników wzrostu (IGF) na procesy osteogenenezy, a także sposobów dostarczania tych czynników do komórek. Zarówno insulina, jak i powiązane z nią funkcjonalnie czynniki wzrostu kontrolują kluczowe aspekty życia ssaków, w tym wzrost, metabolizm i reprodukcję. Wykazują anaboliczne działanie na kości, stymulujące osteogenezę. Osteoblasty wykazują ekspresję funkcjonalnych receptorów insuliny i w odpowiedzi na egzogenną insulinę wzrasta ilość wskaźników anabolicznych kości. Insulina stymuluje proces zarówno budowy jak i resorpcji kości. W odpowiedzi insulino-wrażliwe komórki wpływają na produkcję insuliny, poziom cukru we krwi oraz metabolizm energetyczny. IGF są centralnymi regulatorami proliferacji i przeżywalności komórek oraz wzrostu i rozwoju organizmu. Działają jako autokrynne, parakrynne i endokrynne regulatory tworzenia kości. Sygnalizacja IGF może zachodzić przez różne szlaki, z których najistotniejszym dla biologii kości wydaje się ścieżka PI3K/AKT. IGF działają synergistycznie oraz wzmacniają proces kościotworzenia indukowany przez białka morfogenetyczne kości (BMP). Manipulacje sygnalizacji BMP i IGF mogą wywierać korzystny wpływ na proces osteogenezy. Jako substytuty przeszczepów kości stosuje się różnorodne biomateriały, dające mikrośrodowisko dla wzrostu i różnicowania komórek, promujące ich adhezję i proliferację, które mogą także dostarczać bioaktywnych czynników. W celu optymalizacji, systemy dostarczające mogą być kontrolowane czasowo oraz sekwencyjnie dostarczać różne czynniki wzrostu. Zaletą syntetyzowania biomateriałów opartych na komponentach macierzy zewnątrzkomórkowej (kolagen, hydroksyapatyt) oraz naturalnych polimerów (chitozan) jest ich zdolność do mimiki naturalnego środowiska pozakomórkowego. Przeprowadzono krótkoterminowe eksperymenty w celu zbadania wpływu podłoży łączących te materiały na przeżywalność, proliferację i różnicowanie komórek in vitro. Łączenie biomateriałów oraz czynników stymulujących osteogenezę może zapewnić synergistyczne korzyści na procesy kościotworzenia.

The potential of mesenchymal stem cells (MSC) to differentiate into functional bone forming cells is an important tool for bone tissue regeneration. Identification of the mechanisms inducing osteogenic differentiation is essential in order to develop new therapies that promote bone formation. Hormones and growth factors regulate osteoblast development and differentiation, can also be regarded as markers of bone formation. The aim of this thesis was to gather information on the effects of insulin and insulin-like growth factors (IGF) on osteogenesis, as well as ways to deliver these factors to cells. Both insulin and functionally related growth factors control key aspects of mammalian life, including growth, metabolism, and reproduction. They exert anabolic effects on bone, stimulating bone formation. Osteoblasts express functional insulin receptors and respond to exogenous insulin by increasing bone anabolic markers. Insulin can stimulate both bone formation and resorption. In response, insulin-sensitive cells affect the production of insulin, blood sugar level and energy metabolism. IGF are central regulators of cell proliferation, survival and organism growth. They can work in an autocrine, paracrine and endocrine manner, regulating osteogenesis. IGF signaling can be mediated through multiple pathways of which the most relevant to the bone biology appears to be the PI3K/AKT pathway. IGF act synergistically and strengthen the process of bone formation induced by bone morphogenetic proteins (BMP). Manipulations of BMP and IGF pathways can facilitate bone remodeling and fracture repair. As a substitute for bone grafts, various biomaterials are used, which provide the microenvironment for the growth and differentiation of cells, promoting their adhesion and proliferation and can also provide bioactive agents. In order to optimize, delivery systems may be timely controlled and sequentially release different growth factors. The advantage of synthesizing biomaterials based on components of the extracellular matrix (collagen, hydroxyapatite) or natural polymers (chitosan) is their ability to mimic natural extracellular environment. Short-term experiments were carried out in order to explore the effects of substrates merging these materials on cell viability, proliferation and differentiation in vitro. Combining biomaterials and growth factors that stimulate osteogenesis can provide synergistic benefits to the processes of bone formation.