Bioaktywne hydrożele zawierające grupy PEG i CS (Rycina 1) stanowią idealną platformę do hodowli i dojrzewania ludzkich chondrocytów stawowych 2,3,5,7. Chondrocyty w różnym wieku i stanach chorobowych mogą być hodowane za pomocą opisaną metody i analizowane pod kątem fenotypu, ekspresji genów oraz właściwości biochemicznych i mechanicznych wytworzonej tkanki chrzęstnej. Trzy próbki chondrocytów – od noworodka (6 miesięcy), osoby dorosłej (34 lata) oraz pacjenta z chorobą zwyrodnieniową (74 lata) – pobrano po 3 tygodniach hodowli w biomimetycznych hydrożelach 3D. Analizy ekspresji genów prawidłowych chondrocytów, zarówno młodzieńczych, jak i dorosłych, wykazały wzrost ekspresji genów chondrocytarnych Col2a1 i Col6a1. W przeciwieństwie do nich, chondrocyty chorobowe wykazały gwałtowny spadek ekspresji Col2a1 przy zachowaniu ekspresji Col6a1 (Rycina 2), co wskazuje na utratę fenotypu chondrogennego mimo hodowli w sprzyjającym środowisku biomimetycznym.
Hydrożele CS-PEG służą również jako dynamiczne środowisko umożliwiające chondrocytom proliferację, trawienie istniejącej macierzy PEG i CS oraz odkładanie macierzy pericelularnej i zewnątrzkomórkowej, będącej głównymi składnikami dojrzałej tkanki chrzestnej. Biorąc pod uwagę te właściwości, ekspansję chondrocytów po 3 tygodniach hodowli in vitro można ocenić poprzez kwantyfikację DNA przy użyciu barwnika Picogreen. Analiza porównawcza trzech grup komórek wykazała, że gęstość komórek w populacjach młodzieńczych i dorosłych nie uległa zmianie, podczas gdy w przypadku chondrocytów z OA odnotowano gwałtowny spadek w porównaniu z 1. dniem hodowli. Utrata zawartości DNA została zaobserwowana w przypadku OA, ale nie w innych chondrocytach, co sugeruje możliwą śmierć komórek podczas długoterminowej hodowli (Rycina 3). Wydzieloną macierz skwantyfikowano jako zawartość siarkowych GAG za pomocą testu wiązania barwnika DMMB w punkcie końcowym po 3 tygodniach hodowli. Zawartość GAG została znormalizowana względem masy mokrej hydrożelu, zmierzonej przed trawieniem enzymatycznym, a następnie odjęto wkład a-komórkowy. Jak pokazano na Rycynie 4, chondrocyty odłożyły podobną, znaczącą ilość GAG w ciągu 3 tygodni hodowli w hydrożelach 3D.
Obecność fizycznego rusztowania umożliwia ocenę właściwości biomechanicznych próbek za pomocą testów ściskania bez ograniczenia bocznego 2,3. Podczas gdy w hydrożelach acelularnych odnotowano spadek modułów sprężności przy ściskaniu, konstrukty z komórkami zachowały te moduły po 3 tygodniach hodowli (Rysunek 4). Opisane tutaj analizy fenotypowe, biochemiczne i biomechaniczne są zatem przydatne do oceny i zrozumienia potencjału różnych populacji chondrocytów w inżynierii chrząstki.

Rycina 1. Biomimetyczne hydrożele PEG-CS do 3D kultury chondrocytów. Chondrocyty zostają zawieszone w mieszaninie zawierającej poli(akrylan glikolu etylenowego) (PEGDA) i siarczan chondroityny-metakrylan (CS-MA), a następnie odlane do specjalnie wykonanej cylindrycznej formy do żelu. Po naświetlaniu promieniami UV utwardzone żele są wyjmowane z form, a żywotność komórek jest oceniana za pomocą barwienia żywe/martwe 24 h po enkapsulacji. Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Rysunek 2. Ekspresja genów chondrogennych w ludzkich chondrocytach hodowanych w 3D biomimetycznych hydrożelach. Ilościowa ekspresja genów markerów chrząstki Col2a1 i Col6a1 w chondrocytach młodzieńczych, dorosłych i z OA po 3 tygodniach hodowli w 3D biomimetycznych hydrożelach. Wartości znormalizowano do poziomu ekspresji genów w 1. dniu. Słupki błędów reprezentują średnią± SD. p* <0,05 określone za pomocą dwustronnego testu t Studenta. Zmodyfikowano na podstawie Smeriglio et al. 2 Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 3. Zawartość DNA w ludzkich chondrocytach hodowanych w 3D biomimetycznych hydrożelach. Ilościowe oznaczenie DNA metodą Picogreen w chondrocytach osobników młodszych, dorosłych oraz z OA po 3 tygodniach hodowli w 3D biomimetycznych hydrożelach. Wartości zostały znormalizowane do poziomu DNA w 1. dniu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 4. Pomiar zawartości GAG oraz test kompresji bez ograniczeń ludzkich chondrocytów w dniu 1. i po 3 tygodniach hodowli w biomimetycznych hydrożelach 3D.(A) Ilościowe oznaczenie GAG za pomocą testu DMMB w chondrocytach w dniu 1. i po 3 tygodniach hodowli w biomimetycznych hydrożelach 3D. Wartości zostały znormalizowane do masy mokrej (w.w.) i wyrażone w µg/g. (B) Moduł sprężystości przy ściskaniu (kPa) hydrożeli acelularnych i z zasiedlonymi komórkami w dniu 1. i po 3 tygodniach hodowli w biomimetycznych hydrożelach 3D. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.