Polycaprolactone (PCL) is a bioresorbable polymer with potential applications for bone and cartilage repair. In this work, porous PCL scaffolds were computationally designed and then fabricated via selective laser sintering (SLS), a rapid prototyping technique. The microstructure and mechanical properties of the fabricated scaffolds were assessed and compared to the designed porous architectures and computationally predicted properties. Scaffolds were then seeded with bone morphogenetic protein-7 (BMP-7) transduced fibroblasts and implanted subcutaneously to evaluate biological properties and to demonstrate tissue in-growth. The work done illustrates the ability to design and fabricate PCL scaffolds with porous architecture that have sufficient mechanical properties for bone tissue engineering applications using SLS. Compressive modulus and yield strength values ranged from 52 to 67 MPa and 2.0 to 3.2 Mpa, respectively, lying within the lower range of properties reported for human trabecular bone. Finite element analysis (FEA) results showed that mechanical properties of scaffold designs and of fabricated scaffolds can be computationally predicted. Histological evaluation and micro-computed tomography (μCT) analysis of implanted scaffolds showed that bone can be generated in vivo. Finally, to demonstrate the clinical application of this technology, we designed and fabricated a prototype mandibular condyle scaffold based on an actual pig condyle. The integration of scaffold computational design and free-form fabrication techniques presented here could prove highly useful for the construction of scaffolds that have anatomy specific exterior architecture derived from patient CT or MRI data and an interior porous architecture derived from computational design optimization.

Populations of marrow stromal fibroblasts (MSFs) can differentiate into functional osteoblasts and form bone in vivo. It is not known, however, what proportion of MSF precursor cells, colony forming units-fibroblast (CFU-Fs), have osteogenic potential. In the present study, analysis of bone formation in vivo by single-colony derived strains of human marrow stromal fibroblasts (HMSFs) has been performed for the first time. Each strain originated from an individual CFU-F and underwent four passages in vitro prior to subcutaneous implantation into immunodeficient mice within vehicles containing hydroxyapatite-tricalcium phosphate ceramic. Multicolony derived HMSF strains were also transplanted to serve as positive controls. After 8 weeks, abundant bone formation was found in the transplants of all multicolony derived HMSF strains, whereas 20 out of 34 (58.8%) single-colony derived strains from four donors formed bone. Immunostaining with antibody directed against human osteonectin and in situ hybridization for human-specific alu sequences demonstrated that cells forming new bone were of human origin and were vital for at least 45 weeks post-transplantation. Both the incidence of bone-forming colonies and the extent of bone formation by single-colony derived HMSF strains were increased by cultivation with dexamethasone and ascorbic acid phosphate. Other factors, including type of transplantation vehicle, morphology, size, and structure of the original HMSF colonies showed no obvious correlation with the incidence or extent of bone formation. Hematopoietic tissue within the newly formed bone was developed in the transplants exhibiting exuberant bone formation. These results provide evidence that individual human CFU-Fs have osteogenic potential and yet differ from each other with respect to their osteogenic capacity.

Precise control over scaffold material, porosity, and internal pore architecture is essential for tissue engineering. By coupling solid free form (SFF) manufacturing with conventional sponge scaffold fabrication procedures, we have developed methods for casting scaffolds that contain designed and controlled locally porous and globally porous internal architectures. These methods are compatible with numerous bioresorbable and non-resorbable polymers, ceramics, and biologic materials. Phase separation, emulsion-solvent diffusion, and porogen leaching were used to create poly(l)lactide (PLA) scaffolds containing both computationally designed global pores (500, 600, or 800 μm wide channels) and solvent fashioned local pores (50–100 μm wide voids or 5–10 μm length plates). Globally porous PLA and polyglycolide/PLA discrete composites were made using melt processing. Biphasic scaffolds with mechanically interdigitated PLA and sintered hydroxyapatite regions were fabricated with 500 and 600 μm wide global pores. PLA scaffolds with complex internal architectures that mimicked human trabecular bone were produced. Our indirect fabrication using casting in SFF molds provided enhanced control over scaffold shape, material, porosity and pore architecture, including size, geometry, orientation, branching, and interconnectivity. These scaffolds that contain concurrent local and global pores, discrete material regions, and biomimetic internal architectures may prove valuable for multi-tissue and structural tissue interface engineering.

HSC homing, quiescence, and self-renewal depend on the bone marrow HSC niche. A large proportion of solid tumor metastases are bone metastases, known to usurp HSC homing pathways to establish footholds in the bone marrow. However, it is not clear whether tumors target the HSC niche during metastasis. Here we have shown in a mouse model of metastasis that human prostate cancer (PCa) cells directly compete with HSCs for occupancy of the mouse HSC niche. Importantly, increasing the niche size promoted metastasis, whereas decreasing the niche size compromised dissemination. Furthermore, disseminated PCa cells could be mobilized out of the niche and back into the circulation using HSC mobilization protocols. Finally, once in the niche, tumor cells reduced HSC numbers by driving their terminal differentiation. These data provide what we believe to be the first evidence that the HSC niche serves as a direct target for PCa during dissemination and plays a central role in bone metastases. Our work may lead to better understanding of the molecular events involved in bone metastases and new therapeutic avenues for an incurable disease.

A series of subclonal cell lines with high or low differentiation/mineralization potential after growth in the presence of ascorbic acid (AA) were derived from murine MC3T3-E1 cells. Subclones were characterized in terms of their ability to mineralize a collagenous extracellular matrix both in vitro and in vivo and express osteoblast-related genes. When compared with nonmineralizing cells, mineralizing subclones selectively expressed mRNAs for the osteoblast markers, bone sialoprotein (BSP), osteocalcin (OCN), and the parathyroid hormone (PTH)/parathyroid hormone-related protein (PTHrP) receptor. In contrast, alkaline phosphatase mRNA was present in certain nonmineralizing as well as mineralizing subclones, suggesting that its expression may be subject to different controls from other osteoblast markers. Only highly differentiating subclones exhibited strong AA-dependent induction of a transiently transfected OCN promoter-luciferase reporter gene, indicating that there was a good correlation between mRNA levels and transcriptional activity. Consistent with its postulated role in biomineralization, BSP as measured by Western blotting was only present in mineralizing subclones. After implantation into immunodeficient mice, highly differentiating subclones formed bone-like ossicles resembling woven bone, while poorly differentiating cells only produced fibrous tissue. Interestingly, subclones with both high and low differentiation potential produced similar amounts of collagen in culture and expressed comparable basal levels of mRNA encoding Osf2/Cbfa1, an osteoblast-related transcription factor. Although some strongly differentiating cells exhibited a modest AA-dependent up-regulation of Osf2/Cbfa1 mRNA, there was no clear relationship between levels of this message and induction of mRNAs for other differentiation markers. Thus, the mere presence of Osf2/Cbfa1 in a subclone was not sufficient for osteoblast differentiation. These subclones will be very useful for studying critical events in osteoblast differentiation and mineralization.

Background. Marrow stromal fibroblasts (MSFs) are known to contain bone precursor cells. However, the osteogenic potential of human MSFs has been poorly characterized. The aim of this study was to compare the osteogenic capacity of mouse and human MSFs after implantation in vivo. Methods. After in vitro expansion, MSFs were loaded into a number of different vehicles and transplanted subcutaneously into immunodeficient mice. Results. Mouse MSFs transplanted within gelatin, polyvinyl sponges, and collagen matrices all formed a capsule of cortical-like bone surrounding a cavity with active hematopoiesis. In transplants of MSFs from transgenic mice harboring type I procollagen-chloramphenicol acetyltransferase constructs, chloramphenicol acetyltransferase activity was maintained for up to 14 weeks, indicating prolonged bone formation by transplanted MSFs. New bone formation by human MSFs was more dependent on both the in vitro expansion conditions and transplantation vehicles. Within gelatin, woven bone was observed sporadically and only after culture in the presence of dexamethasone and L-ascorbic acid phosphate magnesium salt n-hydrate. Consistent bone formation by human MSFs was achieved only within vehicles containing hydroxyapatite/tricalcium phosphate ceramics (HA/TCP) in the form of blocks, powder, and HA/TCP powder-type I bovine fibrillar collagen strips, and bone was maintained for at least 19 weeks. Cells of the new bone were positive for human osteonectin showing their donor origin. HA/TCP powder, the HA/TCP powder-type I bovine fibrillar collagen strips, and HA/TCP powder held together with fibrin were easier to load and supported more extensive osteogenesis than HA/TCP blocks and thus may be more applicable for therapeutic use. Conclusions. In this article, we describe the differences in the requirements for mouse and human MSFs to form bone, and report the development of a methodology for the consistent in vivo generation of extensive bone from human MSFs.

It has been well shown that NF-κB has a crucial role in promoting the maturation of bone-resorbing osteoclasts. Now, Cun-Yu Wang and his colleagues show that it also has a role in inhibiting the function of mature bone-forming osteoblasts. They go on to show that deficiency of NF-κB specifically in osteoblasts increases bone formation and protects against bone loss in experimentally-induced osteoporosis in mice. An imbalance in bone formation relative to bone resorption results in the net bone loss that occurs in osteoporosis and inflammatory bone diseases. Although it is well known how bone resorption is stimulated, the molecular mechanisms that mediate impaired bone formation are poorly understood. Here we show that the time- and stage-specific inhibition of endogenous inhibitor of κB kinase (IKK)–nuclear factor-κB (NF-κB) in differentiated osteoblasts substantially increases trabecular bone mass and bone mineral density without affecting osteoclast activities in young mice. Moreover, inhibition of IKK–NF-κB in differentiated osteoblasts maintains bone formation, thereby preventing osteoporotic bone loss induced by ovariectomy in adult mice. Inhibition of IKK–NF-κB enhances the expression of Fos-related antigen-1 (Fra-1), an essential transcription factor involved in bone matrix formation in vitro and in vivo. Taken together, our results suggest that targeting IKK–NF-κB may help to promote bone formation in the treatment of osteoporosis and other bone diseases.

Tumours recruit mesenchymal stem cells to facilitate healing, which induces their conversion into cancer-associated fibroblasts that facilitate metastasis. However, this process is poorly understood on the molecular level. Here we show that CXCL16, a ligand for CXCR6, facilitates mesenchymal stem cell or very small embryonic-like cells recruitment into prostate tumours. CXCR6 signalling stimulates the conversion of mesenchymal stem cells into cancer-associated fibroblasts, which secrete stromal-derived factor-1, also known as CXCL12. CXCL12 expressed by cancer-associated fibroblasts then binds to CXCR4 on tumour cells and induces an epithelial-to-mesenchymal transition, which ultimately promotes metastasis to secondary tumour sites. Our results provide the molecular basis for mesenchymal stem cell recruitment into tumours and how this process leads to tumour metastasis. Cancer-associated fibroblasts promote tumour growth and metastasis by secreting signalling molecules. Jung and colleagues show that prostate cancer cells secrete CXC chemokine ligand 16, which recruits mesenchymal stem cells and converts them into cancer-associated fibroblasts.

Abstract Bone formation is a coordinated process involving various biological factors. We have developed a scaffold system capable of sustained and localized presentation of osteogenic (BMP-4) and angiogenic (VEGF) growth factors and human bone marrow stromal cells to promote bone formation at an ectopic site. Combined delivery of these factors significantly enhanced bone formation compared with other conditions. Introduction: Tissue regeneration entails complex interactions between multiple signals and materials platforms. Orchestrating the presentation of these signals may greatly enhance the regeneration of lost tissue mass. Bone formation, for example, is dependent on the signaling of BMPs, molecules initiating vascularization (e.g., vascular endothelial growth factor [VEGF]), and osteogenic precursor cells capable of responding to these cues and forming bone tissue. It was hypothesized that combined and concerted delivery of these factors from biodegradable scaffolds would lead to enhanced bone formation. Materials and Methods: Poly(lactic-co-glycolic acid) scaffolds containing combinations of condensed plasmid DNA encoding for BMP-4, VEGF, and human bone marrow stromal cells (hBMSCs) were implanted into the subcutaneous tissue of SCID mice. Implants (n = 6) were retrieved at 3, 8, and 15 weeks after implantation. Bone and blood vessel formation was determined qualitatively and quantitatively by methods including histology, immmunostaining, and μCT. Results: Scaffolds delivering VEGF resulted in a prominent increase in blood vessel formation relative to the conditions without VEGF. BMP-4 expression in scaffolds encapsulating condensed DNA was also confirmed at the 15-week time-point, showing the characteristic of long-term delivery in this system. Combined delivery of all three types of factors resulted in a significant increase in the quantity of regenerated bone compared with any factor alone or any two factors combined, as measured with DXA, X-ray, and histomorphometric analysis. Furthermore, bone formed with all three factors had elastic moduli significantly higher than any other condition. Conclusions: Concerted delivery of BMP-4, VEGF, and hBMSCs promoted greater bone formation relative to any single factor or combination of two factors. Materials systems that allows multifactorial presentation more closely mimic natural developmental processes, and these results may have important implications for bone regeneration therapeutics.

We report a fully defined synthetic polymer coating, poly[2-(methacryloyloxy)ethyl dimethyl-(3-sulfopropyl)ammonium hydroxide] (PMEDSAH), which sustains long-term human embryonic stem (hES) cell growth in several different culture media, including commercially available defined media. The development of a standardized, controllable and sustainable culture matrix for hES cells is an essential step in elucidating mechanisms that control hES cell behavior and in optimizing conditions for biomedical applications of hES cells.