Effectiveness and Mechanisms of Tissue Engineering and Electrical Stimulation Approaches for Treating Large Bone Defects /
فاعلية استخدام آليات هندسة الأنسجة والتحفيز الكهربائي لعلاج أمراض العظام /
By Rabab Emam Mohammed Emam Gabr; Under the Supervision of The Late Prof. Dr. Magdy Ali Amin, Prof. Dr. Mona Ibrahim Mabrouk, Prof. Dr. Nourtan Fatthy Abdeltawab.
- 69 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2024.
Bibliography: pages 64-69.
Large bone defects complicated with osteomyelitis is associated with bacterial infections. Each of tissue engineering (TE) and electrical stimulation (ES) alone improves bone healing. Therefore, in this study we aimed to combine mesenchymal stem cells (MSCs)-based TE and ES with in-situ antibacterial hydrogel for a therapeutic synergy. MSCs isolated from healthy rats were cultured and added to β-tricalcium phosphate nanopowder. A large bone defect (LBD) was drilled in the rats' left femur and rats with LBD were divided into seven groups (n = 8 rats/group) receiving various treatments. An eighth group had a sham operation with no fracture as a positive sham control (Pos-C-gp). Three of the seven LBD groups were infected with Staphylococcus aureus ATCC 6538 (107 CFU/mL) for induction of an osteomyelitis model. An injectable gentamicin-loaded hydrogel (Gen-HG) was delivered in-situ during surgery. Osteomyelitis groups were treated with either Gen-HG, ES, and MSCs (Gen-HG-ES-MSCs-gp), or plain hydrogel (Pl-HG), ES, and MSCs (Pl-HG-ES-MSCs-gp), or with Gen-HG alone (Gen-HG-gp). The LBD groups that were not infected were treated with either ES with MSCs (ES-MSCs-gp), or MSCs alone (MSCs-gp), or with ES alone (ES-gp). The seventh group of rats received no treatment and acted as the negative untreated control (Neg-C-gp). The electrical current was applied directly to the bone defect in all groups receiving ES. Medical imaging with X-rays was performed for all animal groups for follow-up of bone healing as well as the detection of any possible pathology associated with osteomyelitis. X-rays showed complete defect healing in groups ES-gp, MSCs-gp, ES-MSCs-gp compared to Neg-C-gp. In osteomyelitis model, X-rays showed callus formation with absence of the induced defect in Gen-HG-gp and Gen-HG-ES-MSCs-gp. While X-rays of Pl-HG-ES-MSCs-gp showed osteolytic reaction with callus formation. In osteomyelitis groups, bone marrow samples of Gen-HG-ES-MSCs-gp showed no detectable bacteria, while Pl-HG-ES-MSCs-gp and Gen-HG-gp showed a 4-log reduction in bacterial counts. Bone healing was further evaluated by histopathological assessment of mean count of haversian canals, mean area percent of collagen fibers and mean area of Prussian blue positive cells. Collectively, histopathological assessment showed that Pos-C-gp, ES-MSCs-gp, and Gen-HG-ES-MSCs-gp were significantly higher than other groups. In conclusion, combining TE, ES, and gentamicin-loaded hydrogel offered promise as a synergistic treatment osteomyelitis. تحسن هندسة الأنسجة (TE) والتحفيز الكهربائي (ES) كل على حدة التئام العظام، إلا أن التئام العظام يسوء في حالة إذا صحبته عدوى بكتيرية أدت إلي الالتهاب العظمي - خصوصا - في العظام الطويلة. لذلك، هدفت هذه الدراسة للجمع بين هندسة الأنسجة القائمة على الخلايا الجذعية الوسيطة (MSCs) والتحفيز الكهربائي، بالإضافة إلى استخدام هلام مائي (hydrogel) مضاد للبكتيريا من أجل عمل تآزر علاجي في حالات التهاب العظم البكتيري. تم زراعة الخلايا الجذعية الوسيطة المعزولة من الفئران السليمة وإضافتها إلى الجسيمات النانوية من فوسفات ثلاثي الكالسيوم. تم محاكاة للالتهاب العظمي للعظام الطويلة في الفئران عن طريق جراحة لإحداث تجويف في عظمة الفخذ اليسرى بالفئران باستخدام مثقاب حركي دقيق. تم تقسيم الفئران إلى سبع مجموعات لتلقي العلاجات المختلفة وفي المجموعة الثامنة تم إجراء عملية زائفة دون تجويف كمجموعة سيطرة زائفة إيجابية. Pos-C-gp تم إصابة ثلاث من مجموعات التجويف السبعة بالمكورات العنقودية الذهبية Staphylococcus aureus ATCC 6538 (107 CFU/ml). تم عمل هيدروجيل محمل بالجنتاميسين قابلا للحقن وتم حقنه داخل التجويف أثناء الجراحة. من هذه المجموعات الثلاث، تم علاج مجموعة باستخدام الخلايا الجذعية الوسيطة والتحفيز الكهربائي والهيدروجيل المحمل بالجنتاميسين Gen-HG-ES-MSCs-gp ، وتم علاج المجموعة الثانية باستخدام الخلايا الجذعية الوسيطة والتحفيز الكهربائي وهيدروجيل بدون مضاد للبكتريا Pl-HG-ES-MSCs-gp ، وتم علاج المجموعة الثالثة باستخدام الهيدروجيل المحمل بالجنتاميسين فقط Gen-HG-gp. لم يتم إصابة المجموعات الاربعة المتبقية بالعدوى وتم علاجها إما باستخدام الخلايا الجذعية الوسيطة والتحفيز الكهربائي، أو باستخدام الخلايا الجذعية الوسيطة فقط، أو باستخدام التحفيز الكهربائي فقط. لم تتلق المجموعة السابعة من الفئران أي علاج وكانت بمثابة السيطرة السلبية. Neg-C-gp تم تطبيق التيار الكهربائي مباشرة على كسر العظام ٤ مرات في جميع المجموعات التي تتلقى التحفيز الكهربائي (المرة الأولى مع الخلايا الجذعية ثم بعدها بأسبوع وأسبوعين وثلاثة أسابيع).
تم إجراء التصوير بالأشعة السينية لجميع مجموعات الحيوانات لمتابعة التئام العظام وكذلك الكشف عن أي أمراض محتملة مرتبطة بالالتهاب العظمي. لم يكن لدى عينات نخاع العظام من Gen-HG-ES-MSCs-gp أي بكتيريا نامية، بينما أظهرت مجموعتي Gen-HG-ES-MSCs-gp و Gen-HG-gp انخفاضًا معنويا ذو دلالة إحصائية في عدد البكتيريا. أظهر متوسط عدد القنوات الهافرسية أن ES-MSCs-gp كان مشابهًا لـ Pos-C-gp، يليه Gen-HG-ES-MSCs-gp، والذين كانوا أعلى بكثير من المجموعات الأخرى مشيرة الي انه من العلاجات التي استرد فيها الفئران الشكل الطبيعي للعظام. بالمثل اشارت نتائج متوسط مساحة ألياف الكولاجين ومتوسط مساحة الخلايا الإيجابية الزرقاء البروسية ارقام أعلى بشكل ملحوظ إحصائيا في ES-MSCs-gp وGen-HG-ES-MSCs-gp مقارنة بالمجموعات الأخرى. في المجمل، بشرت نتائج الجمع بين هندسة الأنسجة والتحفيز الكهربائي والهيدروجيل المحمل بالمضادات الحيوية أنه علاج تآزري مستقبلي مرتقب كعلاج ناجع لـكسور العظام الكبيرة والتهاب العظم.