연골 복구는 충족되지 않은 의학적 도전을 나타내며 인간의 관절 연골을 엔지니어링하기 위한 세포 기반 접근 방식은 유망한 솔루션입니다. 여기에서는 3차원(3D) 생체 모방 하이드로겔을 인간 관절 연골 세포의 확장 및 성숙을 위한 이상적인 도구로 설명합니다.
방법 논문
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연골 복구는 충족되지 않은 의학적 도전을 나타내며 인간의 관절 연골을 엔지니어링하기 위한 세포 기반 접근 방식은 유망한 솔루션입니다. 여기에서는 3차원(3D) 생체 모방 하이드로겔을 인간 관절 연골 세포의 확장 및 성숙을 위한 이상적인 도구로 설명합니다.
인간의 관절 연골은 손상에 매우 취약하며 자가 복구 및 재생 가능성이 제한적입니다. 연골 조직을 엔지니어링하기 위한 세포 기반 전략은 관절 연골을 복구할 수 있는 유망한 솔루션을 제공합니다. 조직 복구를 위한 최적의 세포 공급원을 선택하기 위해서는 다양한 세포 공급원에 의한 조직 공학 연골의 생물학적, 생체역학적 차이를 체계적으로 조사할 수 있는 적절한 배양 플랫폼을 개발하는 것이 중요합니다. 여기에서는 3차원(3D) 생체모방 하이드로겔 배양 플랫폼을 적용하여 소아, 성인, 골관절염(OA) 연골세포의 연골 재생 가능성을 체계적으로 조사했습니다. 3D 생체모방 하이드로겔은 합성 성분인 폴리(에틸렌 글리콜)와 생리 활성 성분인 콘드로이틴 설페이트로 구성되어 있으며, 이는 연골 세포의 체외 배양을 위한 생리학적으로 관련된 미세환경을 제공합니다. 또한, 골격은 생체 내에서 연골 복구를 위한 세포 전달에 잠재적으로 사용될 수 있습니다. 골격에서 조작된 연골 조직은 정량적 유전자 발현, 면역형광 염색, 생화학 분석 및 기계적 테스트를 사용하여 평가할 수 있습니다. 이러한 결과를 활용하여 유전자 발현 수준과 조작된 연골 조직의 생화학적 및 생체역학적 특성 모두에서 다양한 연령의 연골 세포의 차등 재생 잠재력을 특성화할 수 있었습니다. 3D 배양 모델은 정상 또는 비정상 발달의 서로 다른 단계에서 연골 세포와 전구 세포 간의 분자 및 기능적 차이를 조사하는 데 적용할 수 있습니다.
자가 복구 가능성이 제한되어 있기 때문에 인간의 관절 연골은 돌이킬 수 없는 손상을 자주 겪습니다. 현재 관절 연골 손상 치료를 위한 효율적인 세포 기반 접근법을 개발하는 데 광범위한 노력이 집중되고 있습니다. 이러한 세포 기반 치료법의 성공 여부는 최적의 세포 공급원을 선택하고 재생 잠재력을 유지하는 데 크게 좌우됩니다. 연골세포는 연골 복구를 위한 일반적인 세포 공급원이지만 공급이 제한되어 있으며 2D 단층 배양에서 체외 확장 중에 역분화되어 유리질 연골 생성을 제한할 수 있습니다 1.
이 프로토콜의 목적은 다양한 연령과 질병 상태의 인간 연골 세포에 대한 체외 비교 연구를 위한 3차원 하이드로겔 플랫폼을 구축하는 것입니다. 기존의 2차원(2D) 배양과 달리 3차원(3D) 하이드로겔은 연골세포가 형태와 표현형을 유지할 수 있도록 하고 연골세포가 연골 조직을 생산할 수 있도록 생리학적으로 관련된 환경을 제공합니다 2,3. 연골세포 배양을 위한 3D 물리적 구조를 제공하는 것 외에도 하이드로겔은 천연 연골 세포외 기질(ECM)의 기능을 모방합니다. 특히, 콘드로이틴 설페이트 메타크릴레이트(chondroitin sulfate methacrylate)의 포함은 분비된 부분비 인자(paracrine factor)4에 대한 잠재적 저장소를 제공하고 세포 매개 분해 및 매트릭스 회전율(matrix turnover)5을 가능하게 합니다. 아가로스 및 알긴산 겔을 포함한 다양한 연구에서 많은 3D 하이드로겔 배양 시스템이 널리 활용되고 있지만, 당사는 연골세포 배양에 몇 가지 뚜렷한 이점이 있는 생체 모방 3D 배양 시스템을 사용했습니다. 콘드로이틴 설페이트(CS)는 관절 연골에 풍부한 성분이며 PEG-CS 하이드로겔은 연골 생성 표현형을 유지 및 강화하고 세포 매개 기질 분해 및 회전율을 촉진하는 것으로 나타났습니다 2,5. 또한, 하이드로겔 스캐폴드의 기계적 특성은 PEG의 농도를 변경하여 쉽게 조절할 수 있으므로 연골 세포 또는 관련 세포 유형 6,7의 재생 가능성을 더욱 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. PEG/CSMA는 또한 생체 적합성이 있으므로 예를 들어 연골 결손에 직접 임상적으로 적용할 수 있는 잠재력이 있습니다. 이 시스템의 한계는 아가로스와 같은 단순한 시스템에 비해 세포 생존력에 잠재적으로 영향을 미칠 수 있는 복잡성과 광중합 사용이지만, 연골세포 배양의 이점이 잠재적인 한계를 능가합니다.
3D 하이드로겔 배양은 세포 표현형(유전자 발현, 단백질 면역 염색) 및 기능적 결과(연골 매트릭스 생산의 정량화, 기계적 테스트)를 평가하기 위한 기존 분석법과 호환됩니다. 이 유리한 3D 환경은 장기 3D 배양에서 세 가지 다른 연령 집단의 인간 연골 세포의 조직 재생 잠재력을 비교하기 위해 테스트되었습니다.
결과는 표현형 및 기능 분석을 통해 평가되었습니다. 유년기, 성체 및 골관절염 연골세포는 3D 생체 모방 하이드로겔 배양에서 차등 반응을 보였습니다. 3주 및 6주 후, 연골형성 유전자 발현은 청소년 및 성인 연골세포에서 상향 조절되었지만, OA 연골세포에서는 하향 조절되었습니다. 아그레칸(aggrecan), 제2형 콜라겐(type II collagen) 및 글리코사미노글리칸(glycosaminoglycan, GAG)을 포함한 연골 조직 성분의 침착은 소아 및 성인 연골세포에서 높았지만 OA 연골세포에서는 그렇지 않았다. 생성된 연골 구조체의 압축 계수도 유사한 경향을 보였습니다. 결론적으로, 소아 연골 세포와 성인 연골 세포 모두 하이드로겔에서 최대 6주간의 3D 배양까지 연골 생성 및 연골 기질 배치를 보였습니다. 대조적으로, 골관절염 연골세포는 연골 표현형의 상실과 견고한 연골을 생성하는 최소한의 능력을 드러냈습니다.
모든 실험은 스탠포드 대학 인간 피험자의 지침에 따라 수행 기관 심사위원회 프로토콜을 승인했다.
1. 관절 연골 세포의 분리
2. 생체 모방 하이드로 겔의 제조
참고 :이 방법은 허용 된 폴리 (에틸렌 글리콜 디 아크릴 레이트) (PEGDA, MW 5,000g / 몰), DPBS에 콘드로이틴 설페이트 - 메타 크릴 레이트 (CS-MA)를 함유하는 하이드로 겔의 생체 모방 합성. 광개시제의 첨가는 광 활성화 가교 결합을 가능하게한다. 최종적인 하이드로 겔 조성물이 7 %가 체중이 포함T / 볼륨 (W / V) PEGDA의 3 % CS-MA의 V / W 및 광개시제의 V / W 0.05 %.
3. 세포 캡슐화
4. RNA 추출 및 유전자 발현 분석
5. 생화학 적 분석
6. 기계적 시험
PEG 및 CS 부분 (그림 1)를 포함하는 생리 활성 하이드로 겔은 인간의 관절 연골 세포의 2,3,5,7의 문화와 성숙을위한 이상적인 플랫폼을 나타냅니다. 다양한 연령 및 질환 상태에서 연골 세포는 배양 한 방법 및 그 표현형, 유전자 발현 및 생성 된 연골 조직의 생화학 적 및 기계적 성질에 대해 분석 할 수있다. 세 연골 세포 샘플, juvenile- 6개월, adult- 34년 및 osteoarthritic- 74년는 3D 생체 모방 히드로 겔 문화 3 주 후에 수확했다. 유전자 발현이 정상 연골, 청소년 및 성인 둘 분석, 연골 세포 및 유전자 Col2a1 Col6a1의 발현 증가를 보였다. Col6a1 (도 2)의 발현을 유지 유리한 생체 모방 환경에서 배양 표현형 불구 연골의 손실을 표시하는 동안 반대로, 병든 연골 Col2a1의 극적인 감소를 나타내었다.
CS-PEG 하이드로 겔은 또한, 연골 세포가 증식하는 동적 환경 역할 PEG 및 CS의 기존 매트릭스를 소화하고 그들의 pericellular 및 세포 외 기질, 성숙한 연골 조직의 주성분을 침착. 체외 배양 3 주 후 연골 세포의 확장, 이러한 능력을 감안할 때이 Picogreen 염료와 DNA의 정량에 의해 추정 할 수있다. 세포의 세 그룹의 비교 분석은 OA 연골 세포는 배양 1 일째에 비해 극적으로 감소 발휘하면서 청소년 및 성인 인구의 셀 밀도는 변하지 것을 보여준다. DNA 함량의 감소는 장기 배양 (도 3) 중에 가능한 세포 사멸을 시사 다른 OA 연골 위해 아니지만 관찰되었다. 분비 매트릭스는 배양 3 주 후에 종료점 단계 DMMB 염료 결합 분석하여 설페이트 화 - GAG 함량으로 정량 하였다. GAG 컨텐츠 recor 같은 하이드로 겔의 습윤 중량을 기준으로 규격화DED 효소 소화와 무 세포 기여 전에 뺀다. 도 4에 도시 된 바와 같이, 연골 세포는 하이드로 겔의 3 차원 배양 3 주 동안 GAG 유사한 상당한 양의 증착.
물리적 골격의 존재는 일축 압축 시험의 2,3를 통해 샘플의 생체 역학적 특성의 평가를 할 수 있습니다. 무 세포 하이드로 겔은 압축 계수의 감소를 겪는 동안, 세포 - 라덴 구조는 문화 3 주 (그림 4) 후 압축 계수를 유지했다. 표현형, 여기에 설명 된 생화학 및 생 역학적 분석 평가 및 엔지니어링 연골에 대해 서로 다른 연골 세포 인구의 잠재력을 이해 때문에 유용하다.

3D의 연골 세포의 막 다른 1. PEG-CS 생체 모방 하이드로 겔 그림스트럭처. 연골 세포는 폴리 (에틸렌 글리콜 디 아크릴 레이트) (PEGDA) 콘드로이틴 설페이트 - 메타 크릴 레이트 (CS-MA) 및 주문 제작 겔 원통형 금형에 캐스팅을 포함하는 혼합물에 재현 탁된다. 자외선 노출 후, 젤은 금형에서 수집 및 세포 생존 라이브 죽은 염색 24 시간 후 캡슐에 의해 평가된다 응고. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3D 생체 모방 하이드로 겔에서 배양 된 연골 세포에서 연골 유전자의 2 식입니다. 3D 생체 모방 히드로 겔 문화 3 주 후에 청소년, 성인 및 OA 연골 세포로 연골 마커 Col2a1 및 Col6a1의 정량적 유전자 발현. 값이 1 일 때 오류 B에서 유전자 발현 수준으로 정상화된다ARS는 평균 ± SD 나타냅니다. * P는 <양측 '학생의 t 분포'에 의해 결정되는 바와 같이, 0.05. Smeriglio 등에서 수정. (2) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3D 생체 모방 하이드로 겔에서 배양 된 연골 세포 그림 3. DNA 콘텐츠. 3D 생체 모방 히드로 겔 문화 3 주 후에 청소년, 성인 및 골관절염 연골 세포에서 Picogreen 분석에 의한 DNA 정량. 값은 하루 1에서 DNA 수준으로 정상화되는 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 개그 콘텐츠 측정 및 1 일에서 3 차원 생체 모방 히드로 겔 문화 3 주 후에 인간의 연골 세포의 일축 압축 시험. 1 일에서 연골 세포와 문화 3 주 후에 DMMB 분석에 의해 (A) 개그 정량 3D 생체 모방 하이드로 겔. 값은 무게 (전주) 적시에 정규화 및 μg의 / G로 표시됩니다. 하루에 1에서와 3D 생체 모방 히드로 겔 문화 3 주 후에 무 세포 및 세포 함유 하이드로 겔의 (B) 압축 계수 (kPa의). 보려면 여기를 클릭하십시오 이 그림의 더 큰 버전.
이 프로토콜에보고 된 바와 같이, 3D 하이드로 겔은 일반적으로 단층 배양 물 (15)가 발생 섬유 연골 세포로 세포의 탈분화 과정을 회피 배양 연골 세포 표현형을 유지할 수있다. 또한, chondrocytes- 하이드로 겔 구조의 장기 문화는 연령과 질병에 관련된 고유 세포 기능을 유지하는 유리한 환경을 밝혔다.
3D 생체 모방 하이드로 겔의 사용은 몇 가지 장점을 갖는다. 우선, 콘드로이틴 설페이트의 포함 (CS), 관절 연골에서 발견되는 주요 성분은, chondroitinase 분비하여 하이드로 겔 매트릭스를 분해 및 세포 외 매트릭스 5, 16 새로 합성 된 연골 누워 세포를 가능하게한다. 또한, CS는 도시 된 관절염 관절의 항 염증 특성을 가지고있다. 하이드로 겔은 또한 생체 모방 연골 복구 세포 전달을위한 발판 재료로서 사용될 수 있고, 화학적으로 변형 될 수있다좋은 생체 조직 (17, 18)를 통합 촉진한다.
PEG-CS 하이드로 겔의 사용은 장기간의 연골 세포의 배양 및 생화학 적 및 기계적 성질의 평가를 허용한다. 여기에서 우리는이 플랫폼은 연골 엔지니어링을위한 최적의 세포 유형을 정의하기 위해 차별화 된 연골 세포의 다양한 소스의 비교 분석에 유용 할 수 방법을 보여줍니다. 흥미롭게도, 하이드로 겔에 캡슐화 된 연골 세포는 자신의 고유 능력에 따라 가능한 유지 및 증식. 하이드로 겔 조성물 지지체는 사실상 건강한 소아 및 성인 연골 세포의 성장은도 2에 도시 된 바와 같이. 기술 된 하이드로 겔의 조성과 구조는 연골 조직의 형성을 촉진하는 글리코 사 미노 글리 칸에 의해 평가 기능 외 기질의 증착 (GAG로 나타낸 바와 ) 정량.
추가적인 장점은 연골 - 하이드로 겔 구조이다새로 형성된 연골 조직의 기계적 특성에 대해 평가 될 수있다. 일축 압축 시험 비교를 위해 무 세포 하이드로 겔에서 수행되어야합니다. 하이드로 겔은 사실 때문에 CS 부분의 강성 극한 강도를 갖는다. (변형 속도 / s 1 %에서) 5-20%의 일축 압축 변형은 하중 조건 하에서 연골 조직에 의해 경험 생리 균주 보낸 연골 조직 (11, 12)의 기계적 시험에 적용될 수는 10-20 인 것으로보고되었다 % (13, 14). 기계적 시험에 세포 - 라덴과 무 세포 모두 하이드로 겔의 응답은 문화 엔드 포인트에서 평가 하였다. 설명 된 예에서는 OA 연골 세포를 포함하는 구조체의 하부의 강성 대조적 성인 및 청소년 연골 함유 구조체의 강성을 비교 관찰 위에. 셀 하이드로 겔 구조의 기계적 특성의 기능적 특성의 평가를 허용세포 성숙 능력에 대한 심층적 인 분석을 제공 형성 조직.
결론적으로, 연골 조직을 생성하기 위해 다른 연골 세포 모집단의 잠재력을 연구하는 3D 생체 모방 하이드로 겔의 사용은 광범위하게 적용될 수있다. 여기에 기술 된 시험 관내 연구 이외에도, 세포 함유 구조체의 생체 내 이식 생리 컨텍스트에서 세포 성숙 및 재생 가능성을 연구하기 위해 구상 될 수있다. 추가적인 생체 모방 인자 하이드로 플랫폼의 추가 수정은 연골 세포의 증식 및 성숙을 최적화하기 위해 구상 될 수있다.
저자는 공개할 것이 없습니다.
저자는 Stanford Department of Orthopaedic Surgery와 Stanford Coulter Translational Seed Grant에 자금 지원을 감사의 뜻을 전합니다. J.H.L.은 지원을 아끼지 않은 National Science Foundation Graduate Fellowship과 DARE Doctoral Fellowship에 감사드립니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
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| 청소년 연골 세포 (Clonetics Normal Human Chondrocyte Cell System) | Lonza | CC-2550 | |
| 성인 연골 세포 (Clonetics Normal Human Chondrocyte Cell System) | Lonza | CC-2550 | |
| 폴리 (에틸렌 글리콜 디 아크릴레이트) | Laysan Bio | ACRL-PEG-ACRL-1000-1g | |
| 2- 모르 폴리 노 에탄 술폰산 | 시그마 | M5287 | |
| 광개시 | Irgacure | 2959 | |
| 염화나트륨 | Sigma | S9888 | |
| 콘드로이틴 황산염 나트륨 염 | 시그마 | C9819 | |
| N-하이드록시숙신이미드 | Sigma | 130672 | |
| 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)-carbodiimide hydrochloride | Sigma | E1769 | |
| 2-aminoethyl methacrylate | Sigma | 516155 | |
| 투석 튜빙 | 스펙트럼 연구소 | 132700 | |
| 콜라겐 분해 효소 2 | Worthington Biochemical | ||
| 콜라겐 분해 효소 4 | Worthington Biochemical | ||
| DMEM/F12 매체 | HyClone, Thermo Scientific | SH3002301 | |
| 살아있는/죽은 분석 | Life Technologies | L3224 | |
| Tri 시약 | Life Technologies | AM9738 | |
| Quant-iT PicoGreen dsDNA 분석 키트 | Invitrogen | P11496 | |
| 인산나트륨 이염기성 | Sigma | S3264 | |
| 에틸렌디아민테트라아세트산 디소듐 염 | 시그마 | E5134 | |
| L-시스테인 | 시그마 | C1276 | |
| 1,9-디메틸메틸렌 블루 | Sigma | 341088 | |
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