Metabolic control of cartilage growth and chondrogenesis

软骨生长和软骨形成的代谢控制

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2022-03803
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.84万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2022-01-01 至 2023-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Articular cartilage is a dense, load bearing connective tissue that provides the sliding surfaces of synovial joints. Due to native cartilage's relative inability for self-repair, substantial efforts have been placed on the development of engineered (or lab grown) cartilage. Despite the potential of this approach for cartilage repair, a major shortcoming is low capacity of cartilage cells (chondrocytes) to generate significant quantities of tissue suitable for joint resurfacing. While different strategies have been investigated, a novel approach is to control nutrient metabolism. Although known for their anaerobic metabolism, chondrocytes synthesize more tissue under conditions that elicit mixed aerobic-anaerobic metabolism. Recently, we have demonstrated that this metabolic switch can induce specific signaling pathways that result in improved tissue growth. The long-term goal of this NSERC funded research program is to develop methods to improve the generation of functional engineered cartilage. Within this framework, the immediate goal over the next five years of this research program is to exploit these newly identified metabolic-signaling pathways to develop scalable processes to generate tissue engineered cartilage. To achieve this goal, a combination of experimental and computational approaches will be carried out through four parallel, but related objectives, as follows: (i) bioreactor control of the ATP-purinergic receptor pathway, (ii) bioreactor control of the HIF-1a pathway, (iii) effect of switching between discrete metabolic states on tissue growth, and (iv) development of growth-factor free approaches for chondrogenic stem cell differentiation. The proposed research is expected to make significant contributions to the discipline of Materials and Chemical Engineering (ENC04: Biomaterial Engineering; ENC02: Process Engineering) by creating effective processes for development of tissue engineered cartilage as well as furthering our knowledge of cartilage cell metabolism - an area which has generally received little attention. While improved methodologies are needed to create functional tissues suitable for cartilage repair and reconstruction, the development of scalable processes for cartilage tissue engineering and chondrogenic stem cell differentiation have direct industrial applications. Over the next five years, this research program will also prepare 8 HQP (4 PhD and 4 undergraduates) for professional careers in biochemical/biomedical/biomaterials engineering. HQP working on these projects will have the opportunity to be involved in interdisciplinary research and to acquire fundamental knowledge and practical experience in the areas of tissue engineering, metabolomics and metabolic modeling, and bioreactor control strategies.
关节软骨是一种致密的、承重的结缔组织,为滑膜关节提供滑面。由于天然软骨的自我修复能力相对较弱,人们在工程化(或实验室培养)软骨的开发上投入了大量的努力。尽管这种方法具有修复软骨的潜力,但一个主要缺点是软骨细胞(软骨细胞)产生大量适合关节表面重建的组织的能力较低。虽然已经研究了不同的策略,但一种新的方法是控制营养代谢。尽管软骨细胞以无氧代谢著称,但在引起混合有氧和无氧代谢的条件下,软骨细胞会合成更多的组织。最近,我们已经证明了这种代谢转换可以诱导特定的信号通路,从而促进组织生长。NSERC资助的这项研究计划的长期目标是开发方法来改进功能工程软骨的生成。在这个框架内,这项研究计划未来五年的近期目标是利用这些新发现的代谢信号通路来开发可扩展的过程,以生成组织工程化软骨。为了实现这一目标,将通过四个平行但相关的目标进行实验和计算方法的结合,如下:(I)生物反应器控制ATP-嘌呤能受体途径,(Ii)生物反应器控制HIF-1a途径,(Iii)在离散代谢状态之间的转换对组织生长的影响,以及(Iv)发展无生长因子的软骨干细胞分化方法。这项拟议的研究有望对材料和化学工程(ENC04:生物材料工程;ENC02:过程工程)学科做出重大贡献,为组织工程软骨的发展创造有效的过程,并加深我们对软骨细胞新陈代谢的了解--这是一个通常很少受到关注的领域。虽然需要改进方法学来创造适合软骨修复和重建的功能组织,但软骨组织工程和软骨干细胞分化的可扩展过程的开发具有直接的工业应用。在接下来的五年里,这项研究计划还将为生化/生物医学/生物材料工程领域的专业生涯培养8名HQP(4名博士和4名本科生)。在这些项目中工作的HQP将有机会参与跨学科研究,并在组织工程、代谢组学和代谢建模以及生物反应器控制策略领域获得基本知识和实践经验。

项目成果

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知道了