Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Изготовление и характеристика наноматрики на основе Януса слой за слоем для содействия регенерации хряща

Published: July 6, 2022 doi: 10.3791/63984
Automatic Translation
*1, *1, 1
1Department of Biomedical Engineering, University of Connecticut
* These authors contributed equally

Summary

Этот протокол описывает сборку послойного наноматричного каркаса основания Janus (JBNm) путем последовательного добавления базовых нанотрубок Janus (JBNts), матрилина-3 и трансформирующего фактора роста Beta-1 (TGF-β1). JBNm был сфабрикован и охарактеризован; кроме того, он демонстрировал отличную биологическую активность, стимулируя функции клеток, такие как адгезия, пролиферация и дифференцировка.

Abstract

Были разработаны различные каркасы биоматериала для управления клеточной адгезией и пролиферацией в надежде способствовать выполнению конкретных функций для использования in vitro и in vivo . Добавление факторов роста в эти каркасы биоматериала обычно делается для обеспечения оптимальной среды клеточной культуры, опосредующей дифференцировку клеток и ее последующие функции. Тем не менее, факторы роста в обычном каркасе биоматериала обычно предназначены для высвобождения при имплантации, что может привести к непреднамеренным побочным эффектам на окружающие ткани или клетки. Здесь основанная на ДНК наноматрица Януса (JBNm) успешно достигла высоко локализованного микроокружения с послойной структурой для самоустойчивых конструкций хрящевой ткани. JBNms самособираются из базовых нанотрубок Janus (JBNts), матрилина-3 и трансформирующего фактора роста бета-1 (TGF-β1) посредством биоаффина. JBNm был собран в соотношении TGF-β1:матрилин-3:JBNt 1:4:10, поскольку это было определенное соотношение, при котором могла происходить правильная сборка в послойную структуру. Сначала к раствору матрилина-3 добавляли раствор TGF-β1. Затем эту смесь несколько раз пипетировали для обеспечения достаточной однородности перед добавлением раствора JBNt. Это образовало слой за слоем JBNm, после повторной пипетки несколько раз. Были проведены различные эксперименты, чтобы охарактеризовать послойную структуру JBNm, только JBNts, только матрилин-3 и только TGF-β1. Образование JBNm изучали с помощью спектров поглощения UV-Vis, а структуру JBNm наблюдали с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ). Поскольку инновационный каркас JBNm, находящийся послойно, формируется в молекулярном масштабе, можно наблюдать флуоресцентный краситель, меченый JBNm. TGF-β1 ограничен внутренним слоем инъекционного JBNm, который может предотвратить высвобождение факторов роста в окружающие области, способствовать локализованному хондрогенезу и способствовать антигипертрофному микроокружению.

Introduction

Каркасы в тканевой инженерии играют жизненно важную роль в обеспечении структурной поддержки прикрепления клеток и последующего развития тканей1. Как правило, обычные тканевые конструкции без каких-либо строительных лесов полагаются на среду клеточной культуры и добавляют факторы роста для опосредования дифференцировки клеток. Кроме того, это добавление биологически активных молекул в каркасы часто является предпочтительным подходом в руководстве дифференцировкой клеток и функцией 2,3. Некоторые каркасы могут имитировать биохимическое микроокружение нативных тканей независимо друг от друга, в то время как другие могут напрямую влиять на функции клеток через факторы роста. Тем не менее, исследователи часто сталкиваются с проблемами при выборе каркасов, которые могут положительно повлиять на адгезию, рост и дифференцировку клеток, обеспечивая при этом оптимальную структурную поддержку и стабильность в течение длительного периода 4,5. Биологически активные молекулы часто слабо связаны с каркасом, что приводит к быстрому высвобождению этих белков при имплантации, что приводит к их высвобождению в нежелательных местах. Это приводит к побочным эффектам на ткани или клетки, которые не были преднамеренно нацелены 6,7.

Строительные леса обычно изготавливаются из полимерных материалов. Наноматрица основания Януса (JBNm) представляет собой биомиметическую каркасную платформу, созданную с помощью нового послойного метода для самоустойчивой конструкции хрящевой ткани8. Эти новые нанотрубки, вдохновленные ДНК, были названы базовыми нанотрубками Януса (JBNts), поскольку они должным образом имитируют структуру и химию поверхности коллагена, обнаруженного во внеклеточном матриксе (ECM). С добавлением биологически активных молекул, таких как матрилин-3 и трансформирующий фактор роста бета-1 (TGF-β1), JBNm может создать оптимальное микросреднее окружение, которое затем может стимулировать желаемую функциональность клеток и тканей9.

JBNts представляют собой новые нанотрубки, полученные из синтетических версий нуклеооснового аденина и тимина. JBNts формируются путем самосборки10; шесть синтетических нуклеотидов связываются, образуя кольцо, и эти кольца подвергаются π-π укладочным взаимодействиям для создания нанотрубки длиной 200-300 мкм11. Эти нанотрубки структурно похожи на коллагеновые белки; Имитируя аспект микроокружения нативного хряща, JBNts, как было показано, обеспечивает благоприятный участок прикрепления для хондроцитов и мезенхимальных стволовых клеток человека (hMSCs)11,12,13,14. Поскольку нанотрубки подвергаются самосборке и не требуют какого-либо инициатора (например, ультрафиолетового света), они демонстрируют захватывающий потенциал в качестве инъекционного каркаса для труднодоступных областей дефектов15.

Матрилин-3 представляет собой структурный белок внеклеточного матрикса, содержащийся в хряще. Этот белок играет значительную роль в хондрогенезе и правильной функции хряща16,17. В последнее время он был включен в каркас биоматериала, способствуя хондрогенезу без гипертрофии 9,18,19. Включая этот белок в JBNm, хрящевые клетки притягиваются к каркасу, который содержит компоненты, аналогичные компонентам его нативной микросреды. Кроме того, было показано, что матрилин-3 необходим для правильной передачи сигналов TGF-β1 в хондроцитах20. Факторы роста функционируют как сигнальные молекулы, вызывая специфический рост определенной клетки или ткани. Таким образом, для достижения оптимальной регенерации хряща матрилин-3 и TGF-β1 являются важными компонентами в JBNm. Добавление TGF-β1 в каркас слой за слоем может дополнительно способствовать регенерации хряща в тканевой конструкции. TGF-β1 является фактором роста, используемым для стимулирования процесса заживления остеохондральных дефектов, стимулируя пролиферацию и дифференцировку хондроцитов и hMSC21,22. Таким образом, TGF-β1 играет ключевую роль в регенерации хряща JBNm (J / T / M JBNm) 23, способствуя правильному росту, особенно когда он локализован в слоях JBNm.

Как упоминалось ранее, факторы роста обычно собираются на внешней стороне лесов без каких-либо конкретных методов включения. Здесь, с точно спроектированной наноархитектурой биоматериалов, JBNm был разработан для специфического нацеливания на предполагаемые клетки и ткани. JBNm состоит из TGF-β1, приклеенного к поверхностям JBNt во внутреннем слое, и матрилина-3, приклеенного к поверхностям JBNt во внешнем слое24,25. Включение TGF-β1 во внутренний слой послойной структуры позволяет создать высоко локализованное микросреду вдоль волокон JBNm, создавая гомеостатическую тканевую конструкцию с гораздо более медленным высвобождением белка12. Инъекционная способность JBNm делает его идеальной конструкцией хрящевой ткани для различных будущих применений биоматериала26.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Синтез JBNts

  1. Получают мономер JBNt с использованием ранее опубликованных способов, включающих синтез различных соединений12.
  2. Очищают сырой мономер JBNt после того, как он был синтезирован с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с использованием колонны обратной фазы. Используйте растворитель А: 100% вода, растворитель В: 100% ацетонитрил и растворитель С: HCl водный раствор с рН = 1. Используйте расход 3 мл/мин. Собирают наибольший пик, полученный в ВЭЖХ за 7,2 мин.

2. Изготовление для JBNt/Matn1/TGF-β1 (Видео 1)

ПРИМЕЧАНИЕ: Видео 1 показывает, что JBNm представляет собой инъекционное твердое вещество, образованное в физиологической среде (водный раствор, без ультрафиолетового излучения, без химических добавок и без нагревания), которое также биологически вдохновлено.

  1. Добавьте 8 мкл 1 мг/мл TGF-β1, суспендированного вH2O, до 32 мкл 1 мг/мл матрилина-3, суспендированного вH2O. Pipette для обеспечения правильного перемешивания этих белков.
  2. Добавьте 80 мкл 1 мг/мл JBNts, суспендированных вH2O, в раствор TGF-β1/матрилин-3. Пипетка многократно для обеспечения правильного смешивания. Наличие белых флоккул можно наблюдать сразу после добавления JBNts, что указывает на образование JBNm (Видео 1).

3. Наблюдение за образцами с ультрафиолетовым (UV-Vis) поглощением

ПРИМЕЧАНИЕ: Спектры поглощения UV-Vis были изучены для характеристики сборки JBNm. Это измерение было проанализировано для четырех категорий: только JBNts, только матрилин-3, только TGF-β1 и полный слой за слоем JBNm, состоящий из всех трех частей. Все исходные концентрации суспендированы вН2O.

  1. Для группы JBNt добавляют 5 мкл 1 мг/мл JBNts к 50 мклH2O, чтобы получить раствор 90,9 мкг/мл.
  2. Для группы матрилина-3 добавляют 40 мкл из 10 мкг/мл матрилина-3 до 15 мклH2O, чтобы получить раствор 7,3 мкг/мл.
  3. Для группы TGF-β1 добавляют 10 мкл из 10 мкг/мл TGF-β1 в 45 мклH2O, чтобы получить раствор 1,8 мкг/мл.
  4. Для группы JBNm добавляют 40 мкл от 10 мкг/мл матрилина-3 до 10 мкл 10 мкг/мл TGF-β1. Перемешивают для обеспечения правильного перемешивания, а затем добавляют 5 мкл 1 мг/мл JBNts в раствор, повторно пипетируя для смешивания образца.
  5. С помощью спектрофотометра измерьте спектр поглощения каждой группы.

4. Измерение зета-потенциала образцов

ПРИМЕЧАНИЕ: Дзета-потенциал был проанализирован, чтобы лучше предсказать, как JBNm будет взаимодействовать с тканью in vivo . Были измерены три группы: матрилин-3 в одиночку, матрилин-3 с TGF-β1 и полный слой за слоем JBNm.

  1. Для группы матрилина-3 добавляют 160 мкл 10 мг/мл матрилина-3 до 640 мклH2O, чтобы получить раствор 800 мкл.
  2. Для соединения матрилин-3/TGF-β1 добавляют 160 мкл матрилина-3 до 40 мкг/мл 10 мкг/мл TGF-β1. Пипетка многократно для обеспечения должной однородности. Затем добавляют его к 600 мклH2O, в результате чего получается раствор 800 мкл.
  3. Для группы JBNm добавьте 160 мкл из 10 мкг/мл матрилина-3 в 40 мкл 10 мкг/мл TGF-β1. Пипетка несколько раз для смешивания белков. Затем добавьте 20 мкл 1 мг/мл JBNts к раствору и пипетке для обеспечения однородности. Наконец, добавляют раствор JBNm к 580 мклH2Oдля получения раствора 800 мкл.
  4. Измерьте значения дзета-потенциала для трех групп.

5. Подготовка наноматрики JBNt/matrilin-3 для просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ)

ПРИМЕЧАНИЕ: Характеристика ТЕА выполняется для характеристики морфологии JBNts и JBNm.

  1. Вставьте две сетки в плазменный очиститель для правильной очистки сеток перед отрицательным окрашиванием JBNts и JBNm в соответствии с опубликованными протоколами и протоколамипроизводителя 12.
  2. Создают раствор JBNt 200 мкг/мл, смешивая 10 мкл 1 мг/мл JBNts с 40 мкл дистиллированной воды.
  3. Смешайте 30 мкл 100 мкг/мл матрилина-3 с 20 мкл 100 мкг/мл TGF-β1 и пипетку несколько раз. Добавьте 10 мкл 1 мг/мл JBNts в смесь матрилин-3/TGF-β1 для приготовления образца JBNm. Опять же, пипетка неоднократно.
  4. Добавить 3 мкл раствора JBNt (200 мкг/мл) и 3 мкл раствора JBNm на отдельные сетки и оставить их на 2 мин.
  5. Каждую сетку промыть 100 мкл раствора уранилацетата (0,5%). Используйте фильтровальную бумагу, чтобы удалить лишний раствор и дать сеткам высохнуть на воздухе.
  6. Используйте просвечивающий электронный микроскоп для правильного наблюдения и характеристики образцов, как опубликовано ранее11,12.

6. Измерение спектров поглощения флуоресцентно меченых белков

ПРИМЕЧАНИЕ: Структура JBNm проверяется путем наблюдения за структурами JBNm с помощью абсорбционного спектрального анализа.

  1. Маркируйте TGF-β1 с помощью набора для маркировки белка в соответствии с инструкциями производителя. Добавьте 20 мкл 20 мкг/мл с маркировкой TGF-β1 до 25 мклH2O, чтобы получить тестовый раствор 8,9 мкг/мл.
  2. Маркируйте матрилин-3 с помощью отдельного набора этикетирования. Добавьте 20 мкл 80 мкг/мл меченого матрилина-3 до 25 мклH2O, чтобы получить тестовый раствор 36 мкг/мл.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Маркировка флуоресцентным красителем TGF-β1 привела к конечной концентрации 20 мкг/мл, в то время как маркировка матрилина-3 привела к конечной концентрации 80 мкг/мл.
  3. Смешайте 20 мкл 80 мкг/мл меченого матрилина-3 с 20 мкл 20 мкг/мл, меченым TGF-β1, и 5 мклH2O, в результате чего получится меченое соединение TGF-β1/матрилин-3. Пипетку смесь несколько раз перемешать.
  4. Добавьте 5 мкл 1 мг/мл JBNts к 40 мклH2O, в результате чего получится раствор 111 мкг/мл.
  5. Добавьте 20 мкл 20 мкг/мл с маркировкой TGF-β1 до 20 мкл 80 мкг/мл с маркировкой матрилин-3 и пипетку несколько раз. Добавьте 5 мкл 1 мг/мл JBNts к меченому раствору TGF-β1/матрилин-3 и пипетку многократно, чтобы правильно перемешать соединение.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Конечные концентрации образцов JBNt, помеченных TGF-β1, и матрилина-3, составляли соответственно 111 мкг/мл, 8,9 мкг/мл и 36 мкг/мл.
  6. Перенесите каждую группу образцов (т.е. меченую TGF-β1 (стадия 6.1), меченую матрилин-3 (стадия 6.2), меченую TGF-β1/матрилин-3 (стадия 6.3), JBNts (стадия 6.4), JBNm (стадия 6.5)) в свой собственный колодец из черной 384-луночной пластины.
  7. Загрузите черную 384-луночную пластину в многорежимный считыватель микропластин и выполните измерения на длинах волн возбуждения 488 нм и 555 нм в соответствии с протоколом производителя.

7. Анализ биологической функции in vitro

  1. Испытание на адгезию ячеек на камерах с предварительным покрытием
    1. Подготовьте два камерных покровных стекла с пятью группами образцов, так как для каждого типа клеток используется одно покровное стекло.
    2. Добавьте 1,25 мкл 1 мг/мл JBNts к 198,75 мкл дистиллированной воды, в результате чего получится раствор 6,25 мкг/мл.
    3. Добавьте 10 мкл матрилина-3 до 190 мкл дистиллированной воды, в результате чего получится растворение 0,5 мкг/мл.
    4. Добавьте 2,5 мкл 10 мкг/мл TGF-β1 к 197,5 мкг/мЛоф дистиллированной воды, в результате чего получится растворение 0,125 мкг/мл.
    5. Для группы JBNm добавьте 10 мкл с 10 мкг/мл матрилина-3 до 2,5 мкл 10 мкг/mLTGF-β1 и пипетку повторно. Добавьте 1,25 мкл JBNts с концентрацией 1 мг/мл к раствору смеси и пипетке. Наконец, добавьте 186,25 мкл дистиллированной воды, чтобы получить раствор JBNm 200 мкл.
      1. Для контрольной группы используйте 200 мкл дистиллированной воды.
    6. Добавьте каждую группу образцов в свой собственный колодец из камерного покровного стекла No 1,5. Поместите покровное стекло в морозильную камеру с температурой -80 °C на 1 ч, а затем высушите его сублиматором с помощью инструмента лиофилизатора.
    7. Посейте мезенхимальные стволовые клетки человека (hMSCs) и клетки хондроцитов человека (10 000 клеток на лунку) в каждую лунку подготовленных камерных покровных стекол.
    8. Инкубируйте две защитные очки в течение 4 ч в инкубаторе при температуре 37 °C. Затем аспирируйте питательную среду клеток и дважды промойте PBS.
    9. Зафиксируйте клетки 4% параформальдегидом в течение 5 мин, а затем удалите и промойте образцы PBS. Промыть образец во второй раз, чтобы полностью удалить 4% параформальдегида.
    10. Инкубировать клетки со 100 мкл 0,1% Тритона-Х в течение 10 мин и промыть PBS. Добавьте 100 мкл 0,165 мкМ родамина-фаллоидина в каждую лунку. Подождите 30 минут, а затем снова помойте PBS.
    11. Добавьте 0,1 мкг/мл DAPI к каждой лунке, чтобы окрасить ядра. Подождите 5 минут и дважды промойте колодцы PBS.
    12. Используйте спектральный конфокальный микроскоп для наблюдения за морфологией клеток и захвата флуоресцентных изображений.
    13. Затем проанализируйте количество клеток и морфологию с помощью программного обеспечения для обработки изображений. Откройте программное обеспечение и загрузите изображения. Добавьте шкалу и откалибруйте программное обеспечение. Подсчитайте количество ячеек в заданной области для каждого образца. Затем используйте измерительный инструмент для сбора данных о морфологии клеток для каждого образца.
  2. Пролиферация клеток
    1. Подготовьте три необработанные 96-луночные пластины, добавив к каждой по пять групп образцов.
      1. Для группы JBNt добавьте 3,75 мкл 1 мг/мл JBNts к 596,25 мкл дистиллированной воды, в результате чего получится раствор JBNt объемом 600 мкл с концентрацией 6,25 мкг/мл.
      2. Для группы TGF-β1 добавляют 7,5 мкл с 10 мкг/мл TGF-β1 до 592,5 мкл дистиллированной воды, в результате чего получается тестовый раствор 0,125 мкг/мл.
      3. Для группы матрилина-3 добавляют 30 мкл с 10 мкг/мл матрилина-3 до 570 мкл дистиллированной воды, в результате чего получается тестовый раствор 0,5 мкг/мл.
      4. Для группы JBNm смешайте 7,5 мкл 10 мкг/мл TGF-β1 с 30 мкл 10 мкг/мл матрилина-3 и пипетки несколько раз, а затем добавляйте в раствор 3,75 мкл 1 мг/мл JBNts.
      5. Разбавляют раствор JBNm 558,75 мкл дистиллированной воды для получения конечных концентраций 6,25 мкг/мл, 0,125 мкг/мл и 0,5 мкг/мл, соответственно, для образцов JBNt, TGF-β1 и матрилина-3.
      6. Для контрольной группы используют 600 мкл дистиллированной воды.
    2. Разделите каждую группу образцов на шесть скважин (100 мкл пробы на скважину).
    3. Поместите три пластины, содержащие все образцы, в морозильную камеру при температуре -80 °C в течение 1 часа, а затем высушите лиофилизирующим инструментом.
    4. Посейте гМСК на эти пластины, каждая из которых получает 100 мкл клеточной суспензии (на лунку), содержащую 5000 клеток. Инкубируйте три пластины при 37 °C в течение 1 дня, 3 дней или 5 дней при 5% CO2.
    5. Добавляют 10 мкл раствора CCK-8 в каждую лунку с клетками и инкубируют при 37 °C еще 2 ч.
    6. Измерьте значения поглощения каждой скважины с помощью многомодовых микропластинчатых считывателей при 450 нм.
    7. Посейте известный градиент гМСК на 96-луночную пластину и инкубируйте в течение 4 ч. Используйте анализ CCK-8 для измерения значений поглощения известного числа ячеек и создания стандартной кривой.
    8. Рассчитайте пролиферацию клеток, используя стандартную кривую поглощения.
  3. Тест на стабильность
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для определения процентного высвобождения TGF-β1 из JBNm в гидрогеле агарозы использовался человеческий целевой набор TGF-β1.
    1. Приготовьте 2% агарозы, добавив 400 мг порошка агарозы к 20 мл PBS и нагревая его до 100 °C для полного растворения порошка агарозы.
    2. Приготовьте JBNm внутри охлажденного 2% агарозного гидрогеля.
      1. Смешайте 10 мкл 10 мкг/мл TGF-β1, 40 мкл 10 мкг/мл матрилина-3, 5 мкл 1 мг/мл JBNts и 195 мкл PBS. Смешайте этот раствор с 250 мкл 2% агарозы, создав гидрогель JBNm.
    3. Добавьте 500 мкл PBS, используя его в качестве релизного раствора, и убедитесь, что вы меняете его каждые 3 дня. Сохраните каждый выпущенный раствор и оставьте образец на 15 дней.
    4. Используйте комплект ИФА для тестирования каждого из захваченных решений, следуя инструкциям производителя.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Вычитая количество TGF-β1, высвобождаемого в PBS, из теоретического значения нагрузки 100%, можно определить оставшееся количество TGF-β1.
  4. Анализ дифференцировки клеток с помощью ПЦР26.
    1. Подготовьте семь групп образцов с каждым образцом, содержащим 20 мкл клеточной суспензии (4 х 104 клетки), 30 мкл конкретного раствора (или PBS, в зависимости от группы образцов) и 50 мкл 2 мас.% агарозы.
      1. Для группы TGF-β1 добавляют 5 мкл от 10 мкг/мл TGF-β1 до 25 мкл PBS, в результате чего получается раствор 1,6 мкг/мл.
      2. Для группы матрилина-3 добавляют 20 мкл с 10 мкг/мл матрилина-3 до 10 мкл PBS, в результате чего получается раствор 6,7 мкг/мл.
      3. Для группы JBNt добавьте 2,5 мкл 1 мг/мл JBNts к 27,5 мкл PBS, в результате чего получится раствор 83,3 мкг/мл.
      4. Для группы J/T/M JBNm добавляют 10 мкл матрилина-3-5 мкг/мл TGF-β1 и пипетку вверх и вниз для смешивания раствора. Затем добавьте 2,5 мкл 1 мг/мл JBNts и пипетку снова. Наконец, разбавить 2,5 мкл PBS.
      5. Для каждой контрольной группы используйте 30 мкл PBS в качестве образца.
    2. Добавляйте 0,5 мл клеточной культуральной среды в каждую лунку, обязательно заменяя ее каждые 3 дня.
      1. Для положительной контрольной группы используют коммерчески доступную хондрогенную среду hMSC, содержащую добавленный TGF-β1. Этот дополнительный TGF-β1 равен количеству как в TGF-β1, так и в J/T/M JBNm группах.
      2. Для одной из отрицательных контрольных групп используют коммерческую хондрогенную среду hMSC, которая не содержит TGF-β1. Для другой отрицательной контрольной группы используйте среду для культивирования клеток DMEM, содержащую 10% фетальной бычьей сыворотки (FBS).
      3. Для каждой второй группы используйте коммерческую хондрогенную среду для культивирования клеток hMSC без TGF-β1.
    3. Культивируйте образцы в течение 15 дней.
    4. Извлеките РНК образцов и выполните ПЦР для изучения дифференцировки образцов, как описано ранее26.
  5. Иммуноокрашивание для анализа экспрессии коллагена типа X
    1. Подготовьте семь образцов на основе агарозы таким же образом, как дифференцировку клеток с помощью раздела метода ПЦР (этап 7.4).
    2. Культивируйте образцы в течение 15 дней.
    3. Зафиксируйте образцы с 4% формальдегидом в течение 1 дня, замочите в 30% растворе сахарозы на ночь, а затем заморозьте на ночь при -80 °C жидким азотом. Зафиксируйте образцы с помощью реагента с оптимальной температурой резания (OCT), смеси водорастворимых гликолей и смол, при -10 °C.
    4. Управляйте микротомом криостата для получения замороженных участков каждого образца толщиной 20 мкм.
    5. Окрашивают каждую секцию антителом Anti-Collagen X с разбавлением 1:800 и флуоресцентным маркировкой вторичным антителом, разбавленным PBS, в соответствии с протоколами производителя.
    6. Наблюдайте за каждым участком с помощью конфокального микроскопа, используя возбуждение 488 нм и увеличение в 40 раз на окуляре.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Следуя протоколу, JBNt были успешно синтезированы и охарактеризованы поглощением UV-Vis и TEM. JBNm представляет собой инъекционный твердый каркас, который подвергается быстрому биомиметическому процессу. После того, как JBNts добавляли к смеси раствора TGF-β1/матрилин-3 в физиологической среде, образовывался твердый каркас из белой сетки, указывающий на успешную сборку JBNm, как показано на рисунке 1. Это было продемонстрировано в методах характеризации.

В физиологических условиях матрилин-3 отрицательно заряжен из-за его изоэлектрической точки27 (рисунок 2А). После добавления раствора TGF-β1 к раствору матрилина-3 дзета-потенциал соединения TGF-β1/матрилин-3 увеличился до почти нейтрального значения, что указывает на то, что два белка были связаны посредством зарядовых взаимодействий. Как видно на рисунке 2A, дзета-потенциал JBNm является самым высоким среди трех групп благодаря JBNts, поскольку изоэлектрическая точка боковой цепи лизина составляет около 9,74 в физиологической среде. Увеличение значений дзета-потенциала JBNm свидетельствует об успешной сборке его послойной структуры.

Спектры поглощения UV-Vis (рисунок 2B) проясняют формирование иерархической послойной внутренней структуры JBNm. Ароматические кольца боковых цепей лизина и JBNts способствовали двум пикам поглощения при 220 нм и 280 нм соответственно. Снижение значения поглощения наблюдалось после добавления TGF-β1, что указывает на то, что связывание происходит между TGF-β1 и JBNts. После добавления JBNts к матрилину-3 наблюдалось более очевидное снижение интенсивности поглощения пиков, что еще раз указывало на успешное связывание между матрилином-3 и JBNts. Аналогично, после добавления JBNts к смеси TGF-β1/матрилин-3 образовывался JBNm, и пики поглощения уменьшались по интенсивности. Пик поглощения JBNm ближе к линии матрилина-3/JBNts, чем к линии TGF-β1/JBNts, что указывает на то, что JBNts предпочитают связываться с матрилином-3, образуя послойную внешнюю структуру с матрилином-3, в то время как TGF-β1 находится во внутреннем слое. ТЭМ используется для характеристики морфологии JBNts и JBNm (рисунок 2C). После объединения с белками наблюдались толстые пучки JBNm, образующие структуру каркаса.

Флуоресцентная микроскопия подтвердила наличие послойной структуры (рисунок 3А) и продемонстрировала поперечное сечение JBNm. После маркировки TGF-β1 и матрилина-3 было замечено, что красный флуоресцентный матрилин-3 обволакивает пучки JBNt, образуя внешний слой JBNm. На рисунке 3B зелено-флуоресцентный TGF-β1 образует внутренний слой, способствующий способности запоминать факторы роста и позволяющий локализовать TGF-β1. На рисунке 3C показан процесс флуоресцентного резонансного переноса энергии (FRET) между флуоресцентными белками, мечеными красителем, характеризующийся спектрами флуоресценции, с пиками излучения при 520 нм и 570 нм для меченых групп TGF-β1 и матрилин-3, соответственно28. После добавления JBNts по протоколу формируется послойная структура; пики наблюдались как на 520 нм, так и на 570 нм для группы JBNm, что указывает на успешное связывание и сборку белков и JBNt.

Кроме того, было изучено влияние JBNm на адгезию hMSCs и пролиферацию клеток. Как показано на фиг.4, определяли плотность адгезии клеток JBNm, покрытого на поверхности камерных покровных стекол. JBNm показал, что hMSC сгруппированы вдоль самого себя (рисунок 4A), тогда как меньшее количество клеток придерживалось JBNts. Однако для других групп hMSC были равномерно распределены без выравнивания по сравнению с группой JBNm. Выравнивание клеток, а также размер клеток на JBNm продемонстрировали, что JBNts играют роль в клеточной адгезии, в то время как белки в JBNm увеличивают сродство клеточной адгезии (рисунок 4B, C).

После 1-го дня клеточной культуры с JBNm, JBNts, матрилином-3 в одиночку, только TGF-β1 и отрицательным контролем, группы JBNm и TGF-β1 показали значительную пролиферацию клеток по сравнению с другими группами. Когда продолжительность клеточной культуры была увеличена до 3 и 5 дней, группы JBNm и TGF-β1 продемонстрировали еще большую пролиферацию клеток, как показано на рисунке 5. Проведено долгосрочное функциональное исследование для определения дифференциации гМСК с JBNm и без JBNm (отрицательный контроль). Через 15 дней наблюдалось усиленное альциановое синее пятно, указывающее на хондрогенез гМСК, растущих вместе с JBNm26. Таким образом, ячейки предпочитали JBNts JBNm. Вероятно, это было связано с его структурой, имитирующей ДНК, и способностью разбираться на низкомолекулярные единицы, последние из которых могут быть вызваны низким рН или достаточной ферментативной активностью (такой как поглощение клетками)14,29.

Видео 1: Видеозапись сборки JBNm. Эта запись изображает образование JBNts, матрилина-3 и TGF-β1 в JBNm. Эта цифра была изменена с Zhou et al. (2021)26. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.

Figure 1
Рисунок 1: Схематическая иллюстрация химической структуры JBNts, J/T/M JBNm и хондрогенной способности J/T/M JBNm. (A) Химическая структура JBNts, подчеркивающая их образование от мономера до розетки jBNt. (B) Компоненты, составляющие J/T/M JBNm, а также то, как они собираются в JBNm. (C ) Схема культивирования мезенхимальных стволовых клеток человека на J/T/M JBNm. Эта цифра была изменена с Zhou et al. (2021)26. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2: Характеристика материала J/T/M JBNm. (A) Спектры дзета-потенциала только матрилина-3, соединения TGF-β1/матрилин-3 и спектров поглощения J/T/M JBNm. (B) UV-Vis только JBNts, только матрилина-3, только соединения TGF-β1, соединения матрилина-3/JBNts, соединения TGF-β1/JBNts и J/T/M JBNm. (C ) Изображения только JBNts и J/T/M JBNm, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (TEM). Эта цифра была изменена с Zhou et al. (2021)26. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3: Флуоресцентная конфокальная визуализация и флуоресцентные спектры J/T/M JBNm. (A) 3D конфокальное изображение J/T/M JBNm, с красным флуоресцентным меченым матрилином-3 и зелено-флуоресцентно-меченым TGF-β1. (B) 2D конфокальные изображения J/T/M JBNm с красным флуоресцентным матрилином-3, зеленым флуоресцентным меченым TGF-β1 и объединенной версией. (C) Спектры флуоресценции различных соединений для характеристики процесса FRET между мечеными белками. Эта цифра была изменена с Zhou et al. (2021)26. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4: Анализ культуры мезенхимальных стволовых клеток человека (hMSC). (A) Изображения оптической микроскопии hMSC с TGF-β1, матрилином-3 и JBNts, культивируемые на агарозном геле. (B) Конфокальные микроскопические изображения гМСК, культивируемых на камерном покровном стекле, покрытом различными компонентами JBNm. (C) График количества ячеек, прикрепленных к квадратному миллиметру для каждой группы. Полосы ошибок обозначают стандартные отклонения. D) График длины большой оси ячейки в мкм на группу. Полосы ошибок обозначают стандартные отклонения. Примечание: N ≥ 3, *P< 0,05, **P< 0,01, ***P< 0,001, ****P< 0,0001 (по сравнению с отрицательным контролем, NC). Эта цифра была изменена с Zhou et al. (2021)26. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 5
Рисунок 5: Сравнение количества клеток для различных групп между днями 1, 3 и 5. Статистика числа клеток hMSC после культивирования с различными материалами в дни 1, 3 и 5. Полосы ошибок обозначают стандартные отклонения. Примечание: N = 6, *P < 0,05, **P < 0,01, ***P < 0,001, ****P < 0,0001. Эта цифра была изменена с Zhou et al. (2021)26. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Целью этого исследования является разработка платформы биомиметических каркасов, JBNm, для преодоления ограничений обычных тканевых конструкций, которые полагаются на среду клеточной культуры для опосредования дифференцировки клеток. JBNm представляет собой каркас послойной структуры для самоустойчивой конструкции хрящевой ткани. Инновационный дизайн основан на новых наноматериалах, вдохновленных ДНК, JBNts. JBNm, состоящий из JBNts30, TGF-β1 и матрилина-3, собран с помощью новой послойной техники, где самосборка каркаса контролировалась на молекулярном уровне. Сборка JBNm наблюдалась и характеризовалась измерением дзета-потенциала, поглощением UV-Vis, TEM и флуоресцентным спектральным анализом.

Спектры UV-Vis на рисунке 2B (шаг 3) продемонстрировали формирование иерархической послойной внутренней части JBNm. Разница в пиках поглощения может наблюдаться из-за разницы в сродстве связывания. Между JBNts и матрилином-3 происходит больше серьезных взаимодействий, чем между JBNts и TGF-β1, что указывает на то, что JBNts имитируют коллагеновые белки с точки зрения их волокнистой морфологии и химии поверхности лизина. Этот метод необходим для наблюдения за связыванием JBNts с матрилином-3, а не с TGF-β1, что позволяет инкапсуляцию TGF-β1 и, следовательно, обеспечивает медленное высвобождение TGF-β1 в окружающие ткани. Наиболее важным этапом в разработке JBNm является комбинация белков с JBNts. TGF-β1 и матрилин-3 должны быть добавлены до добавления JBNts, чтобы наблюдать полный эффект явления FRET между меченым матрилином-3 и TGF-β1. Ограничение этого метода связано с неправильной последовательностью добавления белков и нанотрубок, что приводит к различным измерениям. Это важный шаг для формирования JBNm для будущих исследований, и, следовательно, будет применяться к будущим фабрикациям и исследованиям JBNm.

Матрилин-3 является крайне отрицательным белком, тогда как TGF-β1 является слегка нейтральным белком, как показано на рисунке 2A. Разница зарядов наблюдалась для определения связывания этих белков. Из отрицательно заряженного состояния матрилина-3 дзета-потенциал увеличивался до почти нейтрального значения после добавления TGF-β1 (рисунок 2A). Этот шаг важен для определения первого внутреннего слоя биомиметического каркаса и для указания на то, что комбинация обоих белков происходит через взаимодействие заряда. После добавления JBNts, которое является вторым этапом изготовления JBNm, дзета-потенциал JBNm был измерен при ~10 ± 5 мВ (рисунок 2A). Поскольку JBNts очень положительны, было замечено, что заряд JBNm увеличивается, как и ожидалось. Таким образом, определение зарядов с дзета-потенциалом важно для наблюдения за формированием JBNm шаг за шагом через взаимодействия зарядов. Подобно спектроскопии UV-Vis, последовательность сложения важна на этом этапе, и неправильный порядок сложения может привести к различным измерениям. Точно так же важно пипеткой смесь вверх и вниз перед измерением.

Далее TGF-β1 и матрилин-3 маркируются таким образом, чтобы развитие JBNm можно было наблюдать с помощью конфокальной микроскопии и флуоресцентного спектрального анализа с помощью многомодовых считывателей микропластин. Образцы возбуждались лазером 488 нм и показывали пики излучения при 520 нм и 570 нм (рисунок 3). Пик выбросов не наблюдался только для JBNts, потому что они не маркированы. FRET происходил от донора TGF-β1 к акцептору матрилина-3, тем самым уменьшая пик излучения на 520 нм и увеличивая пик излучения на 570 нм; эти два компонента находятся на расстоянии 10 нм друг от друга, что позволяет произойти явлению FRET. Поэтому сборка JBNm основана на пространственных (т.е. физических удаленных) процессах вместе с зарядовыми взаимодействиями. Наиболее важным шагом в развитии JBNm является последовательность сложения; TGF-β1 и матрилин-3 должны быть добавлены до добавления JBNts для наблюдения полного эффекта явления FRET. Увеличение не менее 40x на окуляре требуется для наблюдения флуоресцентного JBNm. Ограничение этого метода заключается в том, что JBNts не помечены и, следовательно, не могут наблюдаться с помощью конфокальной микроскопии. Тем не менее, метод маркировки белка может быть применен к маркировке JBNt с некоторыми модификациями для будущих применений.

JBNm может помочь клеточным функциям, таким как клеточная адгезия и пролиферация клеток. В этом исследовании hMSC культивировали (начиная с 5000 клеток) на различных материалах (JBNm, JBNts, TGF-β1, матрилин-3 и отрицательный контроль без добавок) для сравнения количества клеток после инкубации в течение 1, 3 и 5 дней с использованием раствора CCK-8, следуя точным протоколам производителя для определения пролиферации клеток. JBNm, особенно в присутствии TGF-β1, и только TGF-β1 показали значительную пролиферацию клеток по сравнению с тремя другими группами. JBNts морфологически имитируют коллаген в ECM, в то время как матрилин-3 является хрящеспецифическим белком, что приводит к увеличению активности пролиферации клеток после инкубации при 37 °C в течение 3 и 5 дней (рисунок 5). JBNm показал большой потенциал для использования в качестве инъекционного и биомиметического каркаса тканевой инженерии для преодоления ограничений традиционных клеточных конструкций для различных будущих применений в качестве биоматериалов29,31. JBNm морфологически имитирует ECM хряща, обеспечивая адгезионные участки и позволяя высвобождать прохондрогенные дифференцирующие факторы в микросреду, такие как TGF-β132,33. Способность JBNm включать TGF-β1 во внутренний слой каркаса предотвращает его утечку в нежелательные области, тем самым повышая эффективность строительных лесов (рисунок 4 и рисунок 5). Многие hMSC группируются вдоль каркаса JBNm, в то время как клетки слабо распределены в матрилин-3, TGF-β1 и отрицательных контрольных группах (рисунок 4). Также наблюдалась морфология клеток, что указывает на отличное сродство с поверхностями JBNm. Эти точно разработанные биоматериалы предотвращают быстрое высвобождение встроенных биологически активных молекул в среду клеточной культуры и улучшают самоустойчивость тканевых конструкций в матрице34. Ограничением этого метода является то, что начальные номера клеток имеют решающее значение для определения пролиферации клеток. Число начальных клеток 5000 было признано наиболее оптимальным для этого исследования. Стандартная кривая также необходима для определения числа ячеек путем построения известного числа ячеек и измерения их в многомодовом считывателе микропластин. Этот метод может быть применен в будущем в качестве стандартизированного метода для определения пролиферации клеток во всех исследованиях, связанных с каркасами JBNm.

hMSCs культивировали в гранулах 3D-агарозы с JBNm и без него для определения долгосрочного функционального исследования в течение 15 дней. Через 15 дней общую РНК экстрагировали из hMSCs в гранулах агарозы, содержащие положительный контроль (гранулы снабжались свежим TGF-β1 каждый раз, когда среда менялась), JBNm, JBNts, матрилин-3, TGF-β1 и без добавок. QPCR в режиме реального времени проводился для анализа генов, тестирования на хондрогенные маркеры дифференцировки, Aggrecan (ACAN) и маркер гипертрофии коллагена типа X (COL X). Экспрессия ACAN в группе JBNm значительно увеличилась по сравнению с другими группами, демонстрируя, что JBNm значительно способствует хондрогенной дифференцировке стволовых клеток, ингибируя COL X. Между тем, положительный контроль усиливает хондрогенез, что отмечается в увеличении ACAN, а также гипертрофии дифференцированной клетки26. Еще одним ограничением этого исследования является то, что экстракция РНК происходит из клеток, встроенных в гидрогель. Таким образом, общая РНК, полученная в этом протоколе, была низкой по концентрации и чистоте. Чтобы преодолеть это ограничение, было культивировано и извлечено больше образцов для получения оптимальной концентрации и чистоты для следующего этапа, qPCR в режиме реального времени. Хотя qPCR важен для исследования, незначительная модификация этого метода необходима для будущих исследований, чтобы обеспечить эффективное извлечение образцов без ущерба для большого количества образцов.

Тест стабильности был проведен с человеческим набором TGF-β1 ELISA для проверки высвобождения белка из гидрогеля JBNm. В этом исследовании ожидается, что TGF-β1 будет инкапсулирован в J/T/M JBNm, и поэтому не следует наблюдать высвобождение TGF-β1 (т.е. теоретическое значение нагрузки составляет 100%). Ограничением этого этапа является то, что предполагается, что весь TGF-β1 инкапсулирован в послойный каркас JBNm. Через 15 дней растворы, высвобождаемые из гидрогеля, собираются и тестируются вместе с комплектом в соответствии с протоколами производителя. Затем количество TGF-β1 рассчитывали путем вычитания количества высвобождаемого TGF-β1 в PBS из теоретического значения нагрузки. Поскольку TGF-β1 был инкапсулирован во внутреннем слое JBNm, ожидалось медленное высвобождение белка. Исследование показало, что TGF-β1 локализован в эшафоте JBNm и не высвобождается быстро в окружающие районы26.

Эта инновационная послойная конструкция хрящевой ткани JBNm была реализована путем высокоорганизованной и контролируемой самосборки на молекулярном уровне. TGF-β1 ограничен внутренним слоем волокон матрицы, предотвращая его утечку в нежелательные места и одновременно способствуя локализованному хондрогенезу. Кроме того, матрилин-3 локализуется во внешнем слое матричных волокон, создавая антигипертрофное микросреду35. Было показано, что JBNts не только служат в качестве структурной основы каркаса, но и усиливают крепление и адгезию стволовых клеток для локализации клеток вдоль матричных волокон30,36. Что касается будущих работ, то послойная конструкция каркаса на основе JBNt будет адаптирована для применения в различных тканях 37,38,39.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Доктор Юпенг Чен является соучредителем Eascra Biotech, Inc. и NanoDe Therapeutics, Inc.

Acknowledgments

Эта работа поддерживается грантами NIH 7R01AR072027 и 7R03AR069383, NSF Career Award 1905785, NSF 2025362 и Университетом Коннектикута. Эта работа также частично поддерживается грантом NIH S10OD016435.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
10 % Normal Goat Serum Thermo Fisher 50062Z Agent used to block nonspecific antibody binding actions during staining.
24-well plate Corning 07-200-740 24-well plate used for comparative cell culture.
384-Well Black Untreated Plate Thermo Fisher 262260 384-well plate used for absorption measurements.
8-well chambered coverglass Thermo Fisher 155409PK 8-well coverglass used for comparative cell culture.
96-well flat bottom Corning 07-200-91 96-well plate used for comparative cell culture.
96-Well Plate non- treated Thermo Fisher 260895 96-well plate used for comparative cell culture and analysis.
Agarose Gel Sigma-Aldrich A9539 Hydrogel used for cell culture.
Agarose Gel Sigma Aldrich A9539 Hydrogel used as an environment for cell culture.
Alexa Fluor Microscale Protein Labeling Kit Thermo Fisher A30006 (488) and A30007 (555) Fluorescent dye used to label proteins.
Anti-Collagen X Antibody Thermo Fisher 41-9771-82 Antibody used to stain collagen-X.
Bio-Rad PCR Machine Bio-Rad Equipment used to perform PCR on samples.
C28/I2 Chondrocyte Cell Line Cells used to analyze proliferative abilities of various samples.
Cell Counting Kit 8 Milipore Sigma 96992 Cell proliferation assay.
Cell Profiler Broad Institute Software used to analyze cell images.
Cryostat Microtome Equipment used to produce thin segments of samples for use in staining and microscopy.
DAPI Invitrogen D1306 Blue fluorescent stain that binds to adenine-thymine DNA regions.
Disposable cuvettes FISHER Scientific 14-955-128 Container used for spectrophotometry.
DMEM Cell Culture Medium Thermo Fisher 10566032 Media used to support cellular growth.
Fetal Bovine Serum GIBCO A4766801 Serum used in cell culture medium to support cell growth.
Fluoromount-G Mounting Medium Thermo Fisher 00-4958-02 Solution used to mount slides for immunostaining.
Formaldehyde Compound used to fix samples prior to microtoming.
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody Thermo Fisher A16110 Antibody used for protein staining.
Human Mesenchymal Stem Cells LONZA PT-2501 Cells used to analyze differentiative abilities of various samples.
Human Mesenchymal Stem Chondrogenic Medium LONZA PT-3003 Cell medium used to promote chondrogenic differentiation.
ImageJ National Institutes of Health Image analysis software used in conjunction with microscopy.
itaq Universal SYBR Green One-Step Kit BioRad 1725150 Kit used for PCR.
Janus-base nanotubes (JBNts) Nanotube made from synthetic nucleobases to act as cell scaffolding tool.
LaB6 20-120 kV Transmission Electronic Microscope Tecnai Equipment used to perform transmission electron microscopy on a sample.
MATLAB MathWorks Statistical software used for modeling and data analysis.
Matrilin-3 Fisher Scientific 3017MN050 Structural protein used as adhesion sites for chondrocytes.
NanoDrop Spectrophotometer Thermo Fisher Equipment used to measure absorption values of a sample.
Nikon A1R Spectral Confocal Microscope Nikon A1R HD25 Confocal microscope used to analyze samples.
Number 1.5 Chamber Coverglass Thermo Fisher 152250 Environment for sterile cell culture and imaging.
Optimal Cutting Temperature Compound Reagent Compound used to embed cells prior to microtoming.
Paraformaldehyde Thermo Scientific AAJ19943K2 Compound used to fix cells.
PDC-32G Plasma Cleaner Harrick Plasma Cleaner used to prepare grids prior to transmission electron microscopy.
penicillin-streptomycin GIBCO 15-140-148 Antibiotic agent used to discourage bacterial growth during cell culture.
Phosphate Buffered Saline Thermo Fisher 10010023 Solution used to wash cell medium and act as a buffer during experimentation.
Rhodamine-phalloidin Invitrogen R415 F-Actin red fluorescent dye.
Rneasy Plant Mini Kit QIAGEN 74904 Kit used to filter and homogenize samples during RNA extraction.
Sucrose Solution Solution used to process samples prior to microtoming.
TGF beta-1 Human ELISA Kit Invitrogen BMS249-4 Assay kit used to determine the presence of TGF-β1 in a sample.
TGF-β1 PEPROTECH 100-21C Growth factor used for the stimulation of chondrogenic differentiation and proliferation.
Triton-X Invitrogen HFH10 Compound used to lyse cells not fixed during staining process.
TRIzol Reagent Thermo Fisher 15596026 Reagent used to isolate RNA.
Zetasizer Nano ZS Malvern Panalytical Equipment used to measure zeta-potential values of a sample.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Chan, B. P., Leong, K. W. Scaffolding in tissue engineering: general approaches and tissue-specific considerations. European Spine Journal. 17, Suppl 4 467-479 (2008).
  2. Heo, D. N., et al. 3D bioprinting of carbohydrazide-modified gelatin into microparticle-suspended oxidized alginate for the fabrication of complex-shaped tissue constructs. ACS Applied Material Interfaces. 12 (18), 20295-20306 (2020).
  3. Almeida, H. V., et al. Anisotropic shape-memory alginate scaffolds functionalized with either type i or type ii collagen for cartilage tissue engineering. Tissue Engineering. Part A. 23 (1-2), 55-68 (2017).
  4. Vinatier, C., Guicheux, J. Cartilage tissue engineering: From biomaterials and stem cells to osteoarthritis treatments. Annals of Physical and Rehabilitation Medicine. 59 (3), 139-144 (2016).
  5. Filardo, G., Kon, E., Roffi, A., Di Martino, A., Marcacci, M. Scaffold-based repair for cartilage healing: a systematic review and technical note. Arthroscopy. 29 (1), 174-186 (2013).
  6. James, A. W., et al. A review of the clinical side effects of bone morphogenetic protein-2. Tissue Engineering. Part B, Reviews. 22 (4), 284-297 (2016).
  7. Blaney Davidson, E. N., vander Kraan, P. M., vanden Berg, W. B. TGF-beta and osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 15 (6), 597-604 (2007).
  8. Chen, Y., Yang, K. Intra-articular drug delivery systems for arthritis treatment. Rheumatology Current Research. 2, 106 (2012).
  9. Liu, Q., et al. Suppressing mesenchymal stem cell hypertrophy and endochondral ossification in 3D cartilage regeneration with nanofibrous poly(l-lactic acid) scaffold and matrilin-3. Acta Biomaterialia. 76, 29-38 (2018).
  10. Song, S., Chen, Y., Yan, Z., Fenniri, H., Webster, T. J. Self-assembled rosette nanotubes for incorporating hydrophobic drugs in physiological environments. International Journal of Nanomedicine. 6, 101-107 (2011).
  11. Zhou, L., et al. Self-assembled biomimetic Nano-Matrix for stem cell anchorage. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 108 (4), 984-991 (2020).
  12. Zhou, L., Yau, A., Zhang, W., Chen, Y. Fabrication of a biomimetic nano-matrix with janus base nanotubes and fibronectin for stem cell adhesion. Journal of Visualized Experiments. (159), e61317 (2020).
  13. Chen, Y., Song, S., Yan, Z., Fenniri, H., Webster, T. J. Self-assembled rosette nanotubes encapsulate and slowly release dexamethasone. International Journal of Nanomedicine. 6, 1035-1044 (2011).
  14. Chen, Y., et al. Self-assembled rosette nanotube/hydrogel composites for cartilage tissue engineering. Tissue Engineering. Part C, Methods. 16 (6), 1233-1243 (2010).
  15. Yu, H., Chen, Y. Advanced biomedical techniques for gene delivery. Recent Patents on Biomedical Engineering (Discontinued). 5 (1), 23-28 (2012).
  16. Muttigi, M. S., Han, I., Park, H. K., Park, H., Lee, S. H. Matrilin-3 role in cartilage development and osteoarthritis). International Journal of Molecular Sciences. 17 (4), 590 (2016).
  17. Pei, M., Luo, J., Chen, Q. Enhancing and maintaining chondrogenesis of synovial fibroblasts by cartilage extracellular matrix protein matrilins. Osteoarthritis Cartilage. 16 (9), 1110-1117 (2008).
  18. Bello, A. B., et al. Matrilin3/TGFbeta3 gelatin microparticles promote chondrogenesis, prevent hypertrophy, and induce paracrine release in MSC spheroid for disc regeneration. NPJ Regenerative Medicine. 6 (1), 50 (2021).
  19. Muttigi, M. S., et al. Matrilin-3 codelivery with adipose-derived mesenchymal stem cells promotes articular cartilage regeneration in a rat osteochondral defect model. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 12 (3), 667-675 (2018).
  20. Jayasuriya, C. T., et al. Matrilin-3 chondrodysplasia mutations cause attenuated chondrogenesis, premature hypertrophy and aberrant response to TGF-beta in chondroprogenitor cells. International Journal of Molecular Sciences. 15 (8), 14555-14573 (2014).
  21. Poniatowski, L. A., Wojdasiewicz, P., Gasik, R., Szukiewicz, D. Transforming growth factor Beta family: insight into the role of growth factors in regulation of fracture healing biology and potential clinical applications. Mediators of Inflammation. 2015, 137823 (2015).
  22. Sun, Y., Lu, Y., Hu, Y., Ma, F., Chen, W. Induction of osteogenesis by bovine platelet transforming growth factor-beta (TGF-beta) in adult mouse femur. Chinese Medical Journal (English). 108 (12), 914-918 (1995).
  23. Sun, X., et al. Anti-miRNA oligonucleotide therapy for chondrosarcoma). Molecular Cancer Therapeutics. 18 (11), 2021-2029 (2019).
  24. Jayasuriya, C. T., Chen, Y., Liu, W., Chen, Q. The influence of tissue microenvironment on stem cell-based cartilage repair. Annals of the New York Academy of Sciences. 1383 (1), 21-33 (2016).
  25. Chen, Y., et al. Deficient mechanical activation of anabolic transcripts and post-traumatic cartilage degeneration in matrilin-1 knockout mice. PLoS One. 11 (6), 0156676 (2016).
  26. Zhou, L., Zhang, W., Lee, J., Kuhn, L., Chen, Y. Controlled self-assembly of DNA-mimicking nanotubes to form a layer-by-layer scaffold for homeostatic tissue constructs. ACS Applied Material Interfaces. 13 (43), 51321-51332 (2021).
  27. Belluoccio, D., Schenker, T., Baici, A., Trueb, B. Characterization of human matrilin-3 (MATN3). Genomics. 53 (3), 391-394 (1998).
  28. Yau, A., Yu, H., Chen, Y. mRNA detection with fluorescence-base imaging techniques for arthritis diagnosis. Journal of Rheumatology Research. 1 (2), 39-46 (2019).
  29. Lee, J., Sands, I., Zhang, W., Zhou, L., Chen, Y. DNA-inspired nanomaterials for enhanced endosomal escape. Proceedings of the National Academy of Sciences. 118 (19), (2021).
  30. Zhang, W., Chen, Y. Molecular engineering of DNA-inspired Janus base nanomaterials. Juniper Online Journal Material Science. 5 (4), 555670 (2019).
  31. Yau, A., Sands, I., Chen, Y. Nano-scale surface modifications to advance current treatment options for cervical degenerative disc disease (CDDD). Journal of Orthopedic Research and Therapy. 4 (9), 1147 (2019).
  32. Mello, M. A., Tuan, R. S. Effects of TGF-beta1 and triiodothyronine on cartilage maturation: in vitro analysis using long-term high-density micromass cultures of chick embryonic limb mesenchymal cells. Journal of Orthopaedic Research. 24 (11), 2095-2105 (2006).
  33. Shi, Y., Massague, J. Mechanisms of TGF-beta signaling from cell membrane to the nucleus. Cell. 113 (6), 685-700 (2003).
  34. Sands, I., Lee, J., Zhang, W., Chen, Y. RNA delivery via DNA-inspired janus base nanotubes for extracellular matrix penetration. MRS Advances. 5 (16), 815-823 (2020).
  35. Zhou, L., Rubin, L. E., Liu, C., Chen, Y. Short interfering RNA (siRNA)-based therapeutics for cartilage diseases. Regenerative Engineering and Translational Medicine. 7 (3), 283-290 (2020).
  36. Bi, H., et al. Deposition of PEG onto PMMA microchannel surface to minimize nonspecific adsorption. Lab on a Chip. 6 (6), 769-775 (2006).
  37. Chen, Y., Webster, T. J. Increased osteoblast functions in the presence of BMP-7 short peptides for nanostructured biomaterial applications. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 91 (1), 296-304 (2009).
  38. Sun, M., Lee, J., Chen, Y., Hoshino, K. Studies of nanoparticle delivery with in vitro bio-engineered microtissues. Bioactive Materials. 5 (4), 924-937 (2020).
  39. Yau, A., Lee, J., Chen, Y. Nanomaterials for protein delivery in anticancer applications. Pharmaceutics. 13 (2), 155 (2021).

Tags

Биоинженерия выпуск 185
Изготовление и характеристика наноматрики на основе Януса слой за слоем для содействия регенерации хряща
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Landolina, M., Yau, A., Chen, Y.… More

Landolina, M., Yau, A., Chen, Y. Fabrication and Characterization of Layer-By-Layer Janus Base Nano-Matrix to Promote Cartilage Regeneration. J. Vis. Exp. (185), e63984, doi:10.3791/63984 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter