[en] Clinical translation of cell-based products is hampered by their limited predictive in vivo performance. To overcome this hurdle, engineering strategies advocate to fabricate tissue products through processes that mimic development and regeneration, a strategy applicable for the healing of large bone defects, an unmet medical need. Natural fracture healing occurs through the formation of a cartilage intermediate, termed "soft callus," which is transformed into bone following a process that recapitulates developmental events. The main contributors to the soft callus are cells derived from the periosteum, containing potent skeletal stem cells. Herein, cells derived from human periosteum are used for the scalable production of microspheroids that are differentiated into callus organoids. The organoids attain autonomy and exhibit the capacity to form ectopic bone microorgans in vivo. This potency is linked to specific gene signatures mimicking those found in developing and healing long bones. Furthermore, callus organoids spontaneously bioassemble in vitro into large engineered tissues able to heal murine critical-sized long bone defects. The regenerated bone exhibits similar morphological properties to those of native tibia. These callus organoids can be viewed as a living "bio-ink" allowing bottom-up manufacturing of multimodular tissues with complex geometric features and inbuilt quality attributes.
Disciplines :
Engineering, computing & technology: Multidisciplinary, general & others
Author, co-author :
Nilsson Hall, Gabriella
Mendes, Luís Freitas
Gklava, Charikleia
Geris, Liesbet ; Université de Liège - ULiège > Département d'aérospatiale et mécanique > Génie biomécanique
Luyten, Frank P.
Papantoniou, Ioannis
Language :
English
Title :
Developmentally Engineered Callus Organoid Bioassemblies Exhibit Predictive In Vivo Long Bone Healing.
Publication date :
2020
Journal title :
Advanced Science
ISSN :
2198-3844
Publisher :
Wiley, Weinheim, Germany
Volume :
7
Issue :
2
Pages :
1902295
Peer reviewed :
Peer Reviewed verified by ORBi
European Projects :
H2020 - 772418 - INSITE - Development and use of an integrated in silico-in vitro mesofluidics system for tissue engineering
Funders :
CER - Conseil Européen de la Recherche [BE] CE - Commission Européenne [BE]
S. Dimmeler, S. Ding, T. A. Rando, A. Trounson, Nat. Med. 2014, 20, 814.
Y. Y. Lipsitz, N. E. Timmins, P. W. Zandstra, Nat. Biotechnol. 2016, 34, 393.
D. C. Kirouac, P. W. Zandstra, Cell Stem Cell 2008, 3, 369.
P. Lenas, Regen. Med. 2018, 13, 7.
P. Lenas, M. Moos, F. P. Luyten, Tissue Eng., Part B 2009, 15, 381.
P. Lenas, F. P. Luyten, Ind. Eng. Chem. Res. 2011, 50, 482.
R. S. Marcucio, L. Qin, E. Alsberg, J. D. Boerckel, J. Orthop. Res. 2017, 35, 2356.
T. Takebe, M. Enomura, E. Yoshizawa, M. Kimura, H. Koike, Y. Ueno, T. Matsuzaki, T. Yamazaki, T. Toyohara, K. Osafune, H. Nakauchi, H. Y. Yoshikawa, H. Taniguchi, Cell Stem Cell 2015, 16, 556.
N. C. Rivron, J. Frias-Aldeguer, E. J. Vrij, J. C. Boisset, J. Korving, J. Vivié, R. K. Truckenmüller, A. Van Oudenaarden, C. A. Van Blitterswijk, N. Geijsen, Nature 2018, 557, 106.
W. A. Fernando, I. Papantoniou, L. F. Mendes, G. Nilsson Hall, K. Bosmans, W. L. Tam, L. M. Teixeira, M. Moos, L. Geris, F. P. Luyten, J. Tissue Eng. Regener. Med. 2017, 12, 794.
M. Huch, H. Gehart, R. Van Boxtel, K. Hamer, F. Blokzijl, M. M. A. Verstegen, E. Ellis, M. Van Wenum, S. A. Fuchs, J. De Ligt, M. van de Wetering, N. Sasaki, S. J. Boers, H. Kemperman, J. de Jonge, J. N. Ijzermans, E. E. Nieuwenhuis, R. Hoekstra, S. Strom, R. R. Vries, L. J. van der Laan, E. Cuppen, H. Clevers, Cell 2015, 160, 299.
T. a. Einhorn, L. C. Gerstenfeld, Nat. Rev. Rheumatol. 2014, 11, 45.
H. Kronenberg, Nature 2003, 423, 332.
C. Colnot, J. Bone Miner. Res. 2009, 24, 274.
O. Duchamp de Lageneste, A. Julien, R. Abou-Khalil, G. Frangi, C. Carvalho, N. Cagnard, C. Cordier, S. J. Conway, C. Colnot, Nat. Commun. 2018, 9, 773.
J. M. Jukes, S. K. Both, A. Leusink, L. M. T. Sterk, C. A. van Blitterswijk, J. de Boer, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2008, 105, 6840.
C. Scotti, B. Tonnarelli, A. Papadimitropoulos, A. Scherberich, S. Schaeren, A. Schauerte, J. Lopez-Rios, R. Zeller, A. Barbero, I. Martin, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 7251.
C. Scotti, E. Piccinini, H. Takizawa, A. Todorov, P. Bourgine, A. Papadimitropoulos, A. Barbero, M. G. Manz, I. Martin, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2013, 110, 3997.
N. Harada, Y. Watanabe, K. Sato, S. Abe, K. Yamanaka, Y. Sakai, T. Kaneko, T. Matsushita, Biomaterials 2014, 35, 7800.
A. M. McDermott, S. Herberg, D. E. Mason, J. M. Collins, H. B. Pearson, J. H. Dawahare, R. Tang, A. N. Patwa, M. W. Grinstaff, D. J. Kelly, E. Alsberg, J. D. Boerckel, Sci. Transl. Med. 2019, 11, eaav7756.
A. Atala, F. K. Kasper, A. G. Mikos, Sci. Transl. Med. 2012, 4, 160rv12.
M. W. Laschke, M. D. Menger, Trends Biotechnol. 2017, 35, 133.
K. Jakab, A. Neagu, V. Mironov, R. R. Markwald, G. Forgacs, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 101, 2864.
V. Mironov, R. P. Visconti, V. Kasyanov, G. Forgacs, C. J. Drake, R. R. Markwald, Biomaterials 2009, 30, 2164.
K. Futrega, J. S. Palmer, M. Kinney, W. B. Lott, M. D. Ungrin, P. W. Zandstra, M. R. Doran, Biomaterials 2015, 62, 1.
A. Leferink, D. Schipper, E. Arts, E. Vrij, N. Rivron, M. Karperien, K. Mittmann, C. van Blitterswijk, L. Moroni, R. Truckenmüller, Adv. Mater. 2014, 26, 2592.
E. Fennema, N. Rivron, J. Rouwkema, C. van Blitterswijk, J. De Boer, Trends Biotechnol. 2013, 31, 108.
A. D. Dikina, D. S. Alt, S. Herberg, A. McMillan, H. A. Strobel, Z. Zheng, M. Cao, B. P. Lai, O. Jeon, V. I. Petsinger, C. U. Cotton, M. W. Rolle, E. Alsberg, Adv. Sci. 2018, 5, 1700402.
C. De Bari, F. Dell'Accio, J. Vanlauwe, J. Eyckmans, I. M. Khan, C. W. Archer, E. a. Jones, D. McGonagle, T. a. Mitsiadis, C. Pitzalis, F. P. Luyten, Arthritis Rheum. 2006, 54, 1209.
K. M. Pineault, J. Y. Song, K. M. Kozloff, D. Lucas, D. M. Wellik, Nat. Commun. 2019, 10, 3168.
E. J. Mackie, Y. a. Ahmed, L. Tatarczuch, K.-S. Chen, M. Mirams, Int. J. Biochem. Cell Biol. 2008, 40, 46.
D. Kobayashi, T. Oike, A. Shibata, A. Niimi, Y. Kubota, M. Sakai, N. Amornwhichet, Y. Yoshimoto, Y. Hagiwara, Y. Kimura, Y. Hirota, H. Sato, M. Isono, Y. Yoshida, T. Kohno, T. Ohno, T. Nakano, Sci. Rep. 2017, 7, 40588.
L. Yang, K. Y. Tsang, H. C. Tang, D. Chan, K. S. E. Cheah, World Rev. Nutr. Diet. 2014, 111, 13.
X. Zhou, Z. Zhang, J. Q. Feng, V. M. Dusevich, K. Sinha, H. Zhang, B. G. Darnay, B. de Crombrugghe, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2010, 107, 12919.
C. S. Bahney, D. P. Hu, T. Miclau, R. S. Marcucio, Front. Endocrinol. 2015, 6, 4.
J. Park, M. Gebhardt, S. Golovchenko, F. Perez-Branguli, T. Hattori, C. Hartmann, X. Zhou, B. deCrombrugghe, M. Stock, H. Schneider, K. von der Mark, Biol. Open 2015, 4, 608.
E. Holm, J. E. Aubin, G. K. Hunter, F. Beier, H. A. Goldberg, Bone 2015, 71, 145.
E. Y. Chen, C. M. Tan, Y. Kou, Q. Duan, Z. Wang, G. V. Meirelles, N. R. Clark, A. Ma'ayan, BMC Bioinformatics 2013, 14, 128.
M. V. Kuleshov, M. R. Jones, A. D. Rouillard, N. F. Fernandez, Q. Duan, Z. Wang, S. Koplev, S. L. Jenkins, K. M. Jagodnik, A. Lachmann, M. G. McDermott, C. D. Monteiro, G. W. Gundersen, A. Ma'ayan, Nucleic Acids Res. 2016, 44, W90.
M. Kutmon, A. Riutta, N. Nunes, K. Hanspers, E. L. Willighagen, A. Bohler, J. Mélius, A. Waagmeester, S. R. Sinha, R. Miller, S. L. Coort, E. Cirillo, B. Smeets, C. T. Evelo, A. R. Pico, Nucleic Acids Res. 2016, 44, D488.
W. E. Samsa, X. Zhou, G. Zhou, Semin. Cell Dev. Biol. 2017, 62, 3.
T. J. Mead, K. E. Yutzey, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2009, 106, 14420.
K. Yeung Tsang, S. Wa Tsang, D. Chan, K. S. E. Cheah, Birth Defects Res., Part C 2014, 102, 52.
J. P. Iannotti, C. T. Brighton, J. Orthop. Res. 1989, 7, 511.
A. R. Guntur, C. J. Rosen, BoneKEy Rep. 2013, 2, 437.
M. Barna, P. P. Pandolfi, L. Niswander, Nature 2005, 436, 277.
M. B. Goldring, K. Tsuchimochi, K. Ijiri, J. Cell. Biochem. 2006, 97, 33.
Z. Tan, B. Niu, K. Y. Tsang, I. G. Melhado, S. Ohba, X. He, Y. Huang, C. Wang, A. P. McMahon, R. Jauch, D. Chan, M. Q. Zhang, K. S. E. Cheah, PLoS Genet. 2018, 14, 1007346.
H. M. Kronenberg, Ann. N. Y. Acad. Sci. 2006, 1068, 1.
P. Smits, P. Dy, S. Mitra, V. Lefebvre, J. Cell Biol. 2004, 164, 747.
J. Li, H. Luo, R. Wang, J. Lang, S. Zhu, Z. Zhang, J. Fang, K. Qu, Y. Lin, H. Long, Y. Yao, G. Tian, Q. Wu, Cell Rep. 2016, 15, 1467.
A. Ionescu, E. Kozhemyakina, C. Nicolae, K. H. Kaestner, B. R. Olsen, A. B. Lassar, Dev. Cell 2012, 22, 927.
L. Ye, Y. Mishina, D. Chen, H. Huang, S. L. Dallas, M. R. Dallas, P. Sivakumar, T. Kunieda, T. W. Tsutsui, A. Boskey, L. F. Bonewald, J. Q. Feng, J. Biol. Chem. 2005, 280, 6197.
M. K. Song, Z. H. Lee, H. H. Kim, Exp. Mol. Med. 2015, 47, e199.
Y. Nakamichi, C. Shukunami, T. Yamada, K.-i. Aihara, H. Kawano, T. Sato, Y. Nishizaki, Y. Yamamoto, M. Shindo, K. Yoshimura, T. Nakamura, N. Takahashi, H. Kawaguchi, Y. Hiraki, S. Kato, Mol. Cell. Biol. 2003, 23, 636.
S. Miura, J. Kondo, A. Takimoto, H. Sano-Takai, L. Guo, C. Shukunami, H. Tanaka, Y. Hiraki, PLoS One 2014, 9, 3.
H. H. Lee, R. R. Behringer, PLoS One 2007, 2, 450.
N. Van Gastel, S. Stegen, I. Stockmans, K. Moermans, J. Schrooten, D. Graf, F. P. Luyten, G. Carmeliet, Stem Cells 2014, 32, 2407.
S. Debnath, A. R. Yallowitz, J. McCormick, S. Lalani, T. Zhang, R. Xu, N. Li, Y. Liu, Y. S. Yang, M. Eiseman, J.-H. Shim, M. Hameed, J. H. Healey, M. P. Bostrom, D. A. Landau, M. B. Greenblatt, Nature 2018, 562, 133.
C. S. Bahney, D. P. Hu, A. J. Taylor, F. Ferro, H. M. Britz, B. Hallgrimsson, B. Johnstone, T. Miclau, R. S. Marcucio, J. Bone Miner. Res. 2014, 29, 1269.
J. van der Stok, M. K. E. Koolen, H. Jahr, N. Kops, J. H. Waarsing, H. Weinans, O. P. van der Jagt, Eur. Cells Mater. 2014, 27, 137.
C. Epple, A. Haumer, T. Ismail, A. Lunger, A. Scherberich, D. J. Schaefer, I. Martin, Biomaterials 2018, 192, 118.
P. Li, J. S. Markson, S. Wang, S. Chen, V. Vachharajani, M. B. Elowitz, Science 2018, 360, 543.
J. Groll, J. A. Burdick, D.-W. Cho, B. Derby, M. Gelinsky, S. C. Heilshorn, T. Jüngst, J. Malda, V. A. Mironov, K. Nakayama, A. Ovsianikov, W. Sun, S. Takeuchi, J. J. Yoo, T. B. F. Woodfield, Biofabrication 2018, 11, 013001.
A. Page-McCaw, A. J. Ewald, Z. Werb, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2007, 8, 221.
C. K. F. Chan, C.-C. Chen, C. A. Luppen, J.-B. Kim, A. T. DeBoer, K. Wei, J. A. Helms, C. J. Kuo, D. L. Kraft, I. L. Weissman, Nature 2009, 457, 490.
A. Ovsianikov, A. Khademhosseini, V. Mironov, Trends Biotechnol. 2018, 36, 348.
A. C. Daly, P. Pitacco, J. Nulty, G. M. Cunniffe, D. J. Kelly, Biomaterials 2018, 162, 34.
L. Moroni, J. A. Burdick, C. Highley, S. J. Lee, Y. Morimoto, S. Takeuchi, J. J. Yoo, Nat. Rev. Mater. 2018, 3, 21.
A. Petersen, A. Princ, G. Korus, A. Ellinghaus, H. Leemhuis, A. Herrera, A. Klaumünzer, S. Schreivogel, A. Woloszyk, K. Schmidt-Bleek, S. Geissler, I. Heschel, G. N. Duda, Nat. Commun. 2018, 9, 4430.
F. Qu, J. L. Holloway, J. L. Esterhai, J. A. Burdick, R. L. Mauck, Nat. Commun. 2017, 8, 1780.
A. W. James, G. LaChaud, J. Shen, G. Asatrian, V. Nguyen, X. Zhang, K. Ting, C. Soo, Tissue Eng., Part B 2016, 22, 284.
S. Herberg, A. M. McDermott, P. N. Dang, D. S. Alt, R. Tang, J. H. Dawahare, D. Varghai, J.-Y. Shin, A. McMillan, A. D. Dikina, F. He, Y. B. Lee, Y. Cheng, K. Umemori, P. C. Wong, H. Park, J. D. Boerckel, E. Alsberg, Sci. Adv. 2019, 5, eaax2476.
Z. A. Cheng, A. Alba-Perez, C. Gonzalez-Garcia, H. Donnelly, V. Llopis-Hernandez, V. Jayawarna, P. Childs, D. W. Shields, M. Cantini, L. Ruiz-Cantu, A. Reid, J. F. C. Windmill, E. S. Addison, S. Corr, W. G. Marshall, M. J. Dalby, M. Salmeron-Sanchez, Adv. Sci. 2019, 6, 1800361.
A. Lang, M. Kirchner, J. Stefanowski, M. Durst, M. C. Weber, M. Pfeiffenberger, A. Damerau, A. E. Hauser, P. Hoff, G. N. Duda, F. Buttgereit, K. Schmidt-Bleek, T. Gaber, Acta Biomater. 2019, 86, 171.
H. Fonoudi, H. Ansari, S. Abbasalizadeh, M. R. Larijani, S. Kiani, S. Hashemizadeh, A. S. Zarchi, A. Bosman, G. M. Blue, S. Pahlavan, M. Perry, Y. Orr, Y. Mayorchak, J. Vandenberg, M. Talkhabi, D. S. Winlaw, R. P. Harvey, N. Aghdami, H. Baharvand, Stem Cells Transl. Med. 2015, 4, 1482.
S. Sart, R. F. X. Tomasi, G. Amselem, C. N. Baroud, Nat. Commun. 2017, 8, 469.
S. V. Murphy, A. Atala, Nat. Biotechnol. 2014, 32, 773.
N. I. Moldovan, N. Hibino, K. Nakayama, Tissue Eng., Part B 2017, 23, 237.
N. V. Mekhileri, K. S. Lim, G. C. J. Brown, I. Mutreja, B. S. Schon, G. J. Hooper, T. B. F. Woodfield, Biofabrication 2018, 10, 024103.
J. Rouwkema, A. Khademhosseini, Trends Biotechnol. 2016, 34, 733.
M. A. Skylar-Scott, S. G. M. Uzel, L. L. Nam, J. H. Ahrens, R. L. Truby, S. Damaraju, J. A. Lewis, Sci. Adv. 2019, 5, eaaw2459.
C. K. F. Chan, G. S. Gulati, R. Sinha, J. V. Tompkins, M. Lopez, A. C. Carter, R. C. Ransom, A. Reinisch, T. Wearda, M. Murphy, R. E. Brewer, L. S. Koepke, O. Marecic, A. Manjunath, E. Y. Seo, T. Leavitt, W.-J. Lu, A. Nguyen, S. D. Conley, A. Salhotra, T. H. Ambrosi, M. R. Borrelli, T. Siebel, K. Chan, K. Schallmoser, J. Seita, D. Sahoo, H. Goodnough, J. Bishop, M. Gardner, R. Majeti, D. C. Wan, S. Goodman, I. L. Weissman, H. Y. Chang, M. T. Longaker, Cell 2018, 175, 43.
J. Eyckmans, S. J. Roberts, J. Schrooten, F. P. Luyten, J. Cell. Mol. Med. 2010, 14, 1845.
J. Leijten, L. S. Moreira Teixeira, J. Bolander, W. Ji, B. Vanspauwen, J. Lammertyn, J. Schrooten, F. P. Luyten, Sci. Rep. 2016, 6, 36011.
L. F. Mendes, W. L. Tam, Y. C. Chai, L. Geris, F. P. Luyten, S. J. Roberts, Tissue Eng., Part C 2016, 22, 473.
C. A. Schneider, W. S. Rasband, K. W. Eliceiri, Nat. Methods 2012, 9, 671.
K. J. Livak, T. D. Schmittgen, Methods 2001, 25, 402.
