Method Article

Mekanik Stimülasyonun İnfrapatellar Yağ Yastığı Kök Hücrelerinin Kondrojenik Fonksiyonu Üzerindeki Arttırıcı Etkisi

DOI:

10.3791/68846

October 21st, 2025

In This Article

Summary

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma, döngüsel gerilme mekanik stimülasyonunu (%10 gerinim, 1 Hz) infrapatellar yağ yastığı türevli kök hücreler (IPFP-SC'ler) tedavisi ile birleştiren multimodal bir teknoloji geliştirmeye, IPFP-SC'lerin kondrojenik farklılaşmasını teşvik etmedeki sinerjik etkilerini araştırmaya ve kıkırdak doku mühendisliği için daha verimli bir rejeneratif strateji oluşturmaya odaklanmaktadır.

Abstract

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Diz ekleminin ön bölmesinde özel bir fibrofatty yapı olan infrapatellar yağ yastığı (IPFP), viskoelastik biyomekanik özelliklerini toplu olarak oluşturan, serpiştirilmiş kollajen demetleri ve yağ lobülleri içeren benzersiz bir mikro mimari ile karakterize edilir. Ortaya çıkan kanıtlar, IPFP-SC'lerin ayırt edici transkripsiyonel profilini, özellikle de osteoartrit ilerlemesi sırasında kıkırdak yıkımı aracıları ile ilişkilerini vurgulamaktadır. Son araştırmalar, dinamik kompresyon ve hidrostatik basıncın, kalsifikasyon birikimini inhibe ederken hem kemik iliği kaynaklı hem de IPFP kaynaklı mezenkimal kök hücrelerin kondrojenik farklılaşmasını etkili bir şekilde artırdığını göstermektedir. Bu çalışmada, diz ekleminin döngüsel mekanik stres ortamını simüle etmek için bir hücre germe sistemi kullanılmış ve dinamik gerilme stimülasyonunun (%10 zorlanma, 1 Hz) IPFP-SC'lerin kondrojenik farklılaşma kapasitesini önemli ölçüde arttırdığı gösterilmiştir. Bu artış, SOX9 ve COMP dahil olmak üzere kondrojenik belirteçlerin yukarı regüle edilmiş ekspresyonu ile kendini gösterdi ve ekleme özgü mekanik mikro çevrenin mezenkimal kök hücrelerin terminal farklılaşmasında kritik bir düzenleyici rol oynadığını doğruladı. Bu sonuçlar, kıkırdak onarımı için rejeneratif tedavilerde biyomekanik modülasyonun önemini vurgulayarak, kıkırdak dokusu rejenerasyon stratejileri için önemli deneysel kanıtlar sağlar.

Introduction

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kıkırdak dokusunun yenilenmesi ve onarımı, osteoartrit tedavisinde merkezi bir zorluğu temsil eder, çünkü geleneksel hücre tedavileri, yetersiz mikroçevresel düzenleme nedeniyle fonksiyonel kıkırdak matrislerini yeniden yapılandırmada sıklıkla başarısız olur. Son yıllarda, fiziksel mekanik stimülasyonu hücre terapisi ile entegre eden multimodal stratejiler, in vivo biyomekanik mikro ortamları simüle ederek kök hücrelerin kondrojenik farklılaşma potansiyelini arttırmayı amaçlayan bir araştırma noktası1 olarak ortaya çıkmıştır. Bu çalışma, siklik çekme mekanik stimülasyonunu (%10 gerinim, 1 Hz) IPFP-SC tedavisi ile birleştiren multimodal bir teknoloji geliştirmeye, IPFP-SC'lerin kondrojenik farklılaşmasını teşvik etme üzerindeki sinerjik etkilerini araştırmaya ve kıkırdak doku mühendisliği için daha verimli bir rejeneratif strateji oluşturmaya odaklanmaktadır.

Bu çalışmanın temel amacı, dinamik gerilme stimülasyonu yoluyla IPFP-SC'lerin kondrojenik kapasitesini arttırmaktır. Önceki çalışmalar, mekanik sinyallerin hücre iskeletinin yeniden düzenlenmesini, iyon kanalı aktivasyonunu (örneğin, Piezo1) ve aşağı akış sinyal yollarını (örneğin, YAP-SOX9 ekseni) düzenleyerek mezenkimal kök hücrelerin (MSC'ler) kondrojenik farklılaşmasını sağlayabileceğini göstermiştir2. Mevcut literatür, multimodal stimülasyonun sinerjik etkileri hakkında kritik bilgiler sağlar. Buckley ve Kelly ve ark. periyodik hidrostatik basıncın, sGAG ve tip II kollajen birikimini artırarak kondrojenik fenotipleri stabilize ettiğini doğruladı3. Guo ve ark. uygun mekanik stimülasyonla birleştirilen dinamik kültürün, progenitör hücrelerin verimli bir şekilde genişlemesini kolaylaştırdığını ve kıkırdak defekti onarımı için klinik olarak anlamlı eklem kondrositlerinin üretilmesini sağladığını bildirmiştir. Bununla birlikte, tek başına kayma gerilimi, statik koşullara kıyasla hMSC'lerin daha düşük kondrojenik farklılaşmasıyla sonuçlanırken, ek basınç yüklemesi Sox9, agrekan ve tip II kollajen4 gibi kondrojenik belirteçleri yukarı regüle etti. Özellikle, kayma stresi tek başına önemli kıkırdağa özgü gen ekspresyonunu indüklemede başarısız olur5. Zhang ve ark. ayrıca mekanik stimülasyonun eksojen faktörlerle (örneğin, SOX-9) birleştirilmesinin farklılaşma verimliliğini önemli ölçüde artırdığını göstermiştir6. Çalışmalar, dinamik kompresyonun kondrojenik farklılaşmayı indüklediğini, ERK1/2 yolunun inhibisyonunun ise bu yanıtı ortadan kaldırdığını ortaya koymaktadır. Tersine, dinamik kompresyon altında ERK1/2 inhibisyonu, alkalin fosfataz (ALP), tip I kollajen (COLI) ve osteokalsin (OCN)7'nin artan ekspresyonu ile işaretlenen osteojenik farklılaşmayı arttırır. Bu bulgulara dayanarak, bu çalışma, IPFP-SC'lerde endojen sinyal yolakları (örneğin, Piezo1 aracılı kalsinörin aktivasyonu) ile sinerjik rolünü araştıran temel bir müdahale olarak gerilme stimülasyonunu benimser2. Bu yaklaşım, eklem hareketinin multimodal mekanik ortamıyla daha yakından uyumludur. Ek olarak, mekanik stimülasyonun8 uzay-zamansal özgüllüğünü vurgulayan son araştırmalar, bu çalışmada aşamalı bir yükleme protokolünün tasarımını bilgilendirmektedir.

Geleneksel statik kültürle karşılaştırıldığında, bu teknoloji iki temel açıdan yenilik yapar. İlk olarak, mekanik yüklemenin farklılaşma üzerindeki erken inhibitör etkilerinden kaçınmak için gecikmiş bir stimülasyon protokolü uygulanır. Örneğin, Luo ve ark. hücre kapsüllemeden 21 gün sonra uygulanan dinamik kompresyonun, mevcut yükleme protokolüne entegre edilmiş bir prensip olan BMSC'ler9'da kondrogenezi önemli ölçüde artırdığını gösterdi. İkincisi, hassas bir mekanik stimülasyon sistemi, fizyolojik olarak ilgili biyomekanik koşulları kopyalayarak çekme gerilimi parametrelerinin (yoğunluk, frekans ve süre) doğru kontrolünü sağlar. Aşırı mekanik yükleme hücre hasarına 10 neden olabileceğinden, aşırı basitleştirilmiş mekanik ortamlar verimsizsonuçlara 11 yol açabileceğinden, hassas parametre kontrolü güvenilir sonuçlar elde etmek için kritik öneme sahiptir. Gelişmiş çoklu mekanik bağlantı sistemlerinden5 ilham alan geliştirilen aparat, translasyonel uygulamalar için yüksek ölçeklenebilirlik ile kararlı ve tekrarlanabilir stimülasyon sağlar. Ayrıca, eklem kıkırdağı ile gelişimsel homolojileri ve yüksek kondrojenik potansiyelleri3 dahil olmak üzere IPFP-SC'lerin benzersiz avantajlarından yararlanmak, teknolojinin klinik fizibilitesini artırır.

Bu çalışma, IPFP-SC'lerin kondrogenezine ilişkin mekanik içgörüleri ilerletmekte ve klinik kıkırdak onarım stratejilerinin geliştirilmesini desteklemektedir. Multimodal mekanik stimülasyonu hücre terapisiyle entegre eden bu teknoloji, geleneksel yöntemlerin sınırlamalarını giderir ve postoperatif biyomekanik rehabilitasyon protokolleri için içgörü sağlar. Özetle, gerilme stimülasyonu ve IPFP-SC tedavisinin yenilikçi entegrasyonu yoluyla, bu çalışma verimli ve kontrol edilebilir bir kıkırdak rejenerasyon stratejisi oluşturmayı amaçlamaktadır. Tasarımı, doku mühendisliği teknolojilerinin klinik çevirisi için yeni yollar açarken, önceki mekanobiyolojik araştırmalardan büyük ölçüde yararlanmaktadır.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Çalışma Kurumsal kılavuzlara uygun olarak gerçekleştirildi ve İç Moğolistan Özerk Bölgesi Halk Hastanesi Etik Kurulu tarafından onaylandı (SC-07/01KT2024008). Kullanılan reaktifler ve ekipman Malzeme Tablosunda listelenmiştir.

1. IPFP-SC'lerin çözülmesi ve genişletilmesi

  1. IPFP-SC'leri çözün.
    1. Dondurularak saklanmış IPFP-SC'leri (P2-P5) 37 °C'lik bir su banyosunda hızla çözün.
    2. Hücreleri, önceden ısıtılmış tam büyüme ortamı (α-DMEM +% 10 FBS +% 1 penisilin / streptomisin) içeren 15 mL'lik bir santrifüj tüpüne aktarın.
    3. Oda sıcaklığında 5 dakika boyunca 300 × g'da santrifüjleyin. Süpernatanı atın ve hücre peletini taze büyüme ortamında yeniden süspanse edin.
  2. Hücreleri genişletin.
    1. Hücreleri 5.000-8.000 hücre/cm2 yoğunlukta iki adet 10 cm'lik kültür kabına tohumlayın. Hücreleri 37 °C'de %5CO2 ile inkübe edin.
    2. Hücreler %80-90 birleşme noktasına ulaşana kadar ortamı her 2-3 günde bir değiştirin.
    3. Hücreleri %0.25 tripsin-EDTA kullanarak geçirin ve sonraki adımlar için kültürde tutun.

2. Kondrojenik farklılaşma için tohumlama hücreleri

  1. Hücre süspansiyonunu hazırlayın.
    1. Hücreleri% 80-% 90 birleşme noktasına ulaştıklarında 37 ° C'de% 0.25 tripsin-EDTA ile 5 dakika boyunca sindirin.
    2. Sindirimi sonlandırmak için 1:1 oranında tam ortam ekleyin.
    3. Oda sıcaklığında 5 dakika boyunca 300 × g'da santrifüjleyin. Süpernatanı atın ve hücre peletini taze büyüme ortamında yeniden süspanse edin.
  2. Hücreleri tohumlayın.
    1. Bir hemositometre veya otomatik hücre sayacı kullanarak hücreleri sayın.
    2. Yeniden süspanse edilen hücreleri, özel bir kültür kabının odası başına 4 × 105 hücre yoğunluğuna seyreltin.
    3. Tam hücre bağlanmasına izin vermek için odaları 12-16 saat boyunca 37 °C,% 5 CO2 inkübatörüne yerleştirin.

3. Kondrojenik ön kültür

  1. Ön farklılaşmayı başlatın.
    1. Büyüme ortamını odalardan çıkarın.
    2. Kalan serumu ve kalıntıları gidermek için hücreleri 1× DPBS (önceden 37 °C'ye ısıtılmış) ile iki kez durulayın.
    3. Hücreleri önceden karıştırılmış kondrojenik indüksiyon ortamıyla (büyüme faktörleri olmadan) iki kez yıkayın.
    4. Yıkama ortamını tam kondrojenik indüksiyon ortamıyla değiştirin.
    5. Kültürleri 37 gün boyunca %5CO2 ile 3 °C'de tutun.
  2. Hücre morfolojisini izleyin.
    1. Mikroskopi kullanarak hücre yapışmasını ve erken agregasyonu doğrulayın.

4. Döngüsel çekme mekanik stimülasyonu (7.

  1. Mekanik stimülasyon cihazını hazırlayın.
    1. Cihazı ve kültür odalarını %75 etanol ile sterilize edin, ardından UV ışınlaması yapın.
    2. Tek eksenli hücre germe sistemini 1 Hz frekansında %10 gerinim sağlayacak şekilde kalibre edin.
  2. Stimülasyonu başlatın.
    1. Art arda 7 gün boyunca günde 1 saat boyunca döngüsel çekme gerilimi (%10 gerinim, 1 Hz) uygulayın.
    2. Stimülasyon süresi boyunca% 5 CO2 ile çevre koşullarını 37 ° C'de koruyun.
    3. Kondrojenik indüksiyon ortamını her 72 saatte bir değiştirin.
  3. Kontrol kurulumu
    1. Aynı kültür koşulları altında mekanik stimülasyon olmadan paralel statik kontrol odaları ekleyin.

5. İmmünofloresan boyama

  1. Numune hazırlama ve kesme
    1. Mekanik olarak uyarılmış hücre tohumlu zarı, konfokal kabın boyutuna ve şekline uyacak şekilde steril cerrahi makas veya neşter ile kesin.
    2. Kesilen numunenin çanağın görüntüleme alanını tamamen kapladığından emin olun.
  2. Hücreleri düzeltin.
    1. Hücreleri PBS ile iki kez yıkayın.
    2. Oda sıcaklığında (RT) 15 dakika boyunca %4 paraformaldehit (PFA) ile sabitleyin.
    3. RT'de 10 dakika boyunca PBS'de% 0.1 Triton X-100 ile tedavi edin.
    4. PBS ile iki kez yıkayın.
    5. RT'de 30 dakika boyunca PBS'de %2 BSA ile blok yapın.
  3. İşaretleyiciler için leke.
    1. Numuneyi gece boyunca 4 °C'de bloke edici çözelti içinde seyreltilmiş birincil antikorlarla inkübe edin: anti-SOX9 (1:200) ve anti-COMP (1:200).
    2. Numuneyi PBS ile 3 kez yıkayın.
    3. Floresan konjuge sekonder antikorları PBS'de 1:1000 oranında seyreltin.
    4. Numuneyi kaplamak için 100 μL seyreltilmiş ikincil antikor çözeltisi ekleyin.
    5. Işıktan korunan bir orbital çalkalayıcı üzerinde RT'de 1 saat inkübe edin.
    6. Numuneyi PBS ile 3 kez yıkayın.
  4. Görüntü alma
    1. Bir floresan mikroskobu kullanarak numuneyi görselleştirin.
    2. Tutarlı pozlama ayarlarında görüntüler yakalayın.

6. Kantitatif PCR (qPCR) analizi

  1. RNA'yı çıkarın
    1. Hücreleri TRIzol reaktifinde parçalayın.
    2. Üreticinin protokolünü izleyerek toplam RNA'yı izole edin.
    3. Bir spektrofotometre kullanarak RNA konsantrasyonunu ve saflığını ölçün.
  2. cDNA'yı sentezleyin.
    1. Yüksek kapasiteli bir cDNA sentez kiti kullanarak 1 μg RNA'yı cDNA'ya ters kopyalayın.
  3. qPCR gerçekleştirin.
    1. SYBR Green Master Mix ve kondrojenik belirteçler (SOX9, COMP) ve temizlik genleri için spesifik primerler kullanarak qPCR reaksiyonları hazırlayın.
    2. Tahlilleri gerçek zamanlı bir PCR sisteminde üç kopya halinde çalıştırın. Şablon içermeyen denetimler ekleyin.

7. Tekrarlanabilirlik

  1. Kısır -lık
    1. Kontaminasyonu önlemek için tüm adımları laminer akış başlığı altında gerçekleştirin.
  2. Parametre tutarlılığı
    1. Mekanik stimülasyon ayarlarını (gerinim, sıklık ve süre) günlük olarak doğrulayın.
  3. Çoğaltır
    1. Koşul başına en az üç biyolojik kopya ekleyin.
  4. Veri normalleştirme
    1. qPCR verilerini temizlik genlerine ve statik kontrollere normalleştirin.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışmanın temsili bulguları, döngüsel çekme mekanik stimülasyonunun, kondrojenik indüksiyon altında IPFP-SC'lerin kondrojenik farklılaşmasını arttırdığını göstermektedir. Spesifik olarak, 7 günlük çekme yüklemesine tabi tutulan IPFP-SC'ler, statik kontrol gruplarına kıyasla artan SOX9 ekspresyonu ve COMP üretimi ile kanıtlandığı gibi, her iki transkripsiyonel seviyede kondrojenik belirteçlerin önemli ölçüde yukarı regülasyonu sergiledi. Bu koordineli moleküler ve yapısal tepkiler, biyomekanik uyaran...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ana hatlarıyla belirtilen protokol, kondrojenik farklılaşmayı geliştirmek ve kıkırdak rejenerasyonundaki kritik zorlukları ele almak için döngüsel çekme mekanik stimülasyonunu (%10 gerinim, 1 Hz) IPFP-SC'lerle entegre eder. Temel adımlar arasında hassas hücre genişlemesi, aşamalı kondrojenik ön kültür (3 gün), gecikmiş mekanik stimülasyon (3. günde 7 gün boyunca başlatılır) ve immünofloresan (SOX9, COMP) ve qPCR yoluyla stimülasyon sonrası analiz yer alır. Önceki mekano...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Acknowledgements

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu çalışma, Çin İç Moğolistan Özerk Bölgesi Doğa Bilimleri Vakfı (2024ZD32 ve 2024LHMS08015) ve Başkent Bölgesi Kamu Hastanelerinde Üst Düzey Klinik Uzmanlık İnşaatı için Bilim ve Teknoloji Projesi (2024SGGZ015) tarafından desteklenmiştir.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
%4 ParaformaldehitBiyokeskinBL539A
Anti-Floresan Söndürme Blokaj Solüsyonu (DAPI içerir)BeyotimeP0131
Engelleme ÇözümüBeyotimeP0260
Hücre Kültürü OdasıHAVA TEKNOLOJİSİAZ2020062530
Hücre TankıHÜCRE & KUVVET
Col II Birincil AntikorAbcamAB34712
E.Z.N.A. HP Toplam RNA KitiOMEGAR6812-00S
F-aktin Birincil AntikoruProtein teknolojisiPF00001
Fetal Sığır SerumuHücre MaksSA101.02
Keçiden Rb IgG'ye  AbcamAB50077
Hieff qPCR SYBR Yeşil Ana Karışım (Düşük Rox Plus)YEASEN11202ES50 Serisi
İnsan Mezenkimal Kök Hücre Kondrojenik İndüksiyon KitiFuyuanbio HakkındaFY200008
Leica DMi8 ters çevrilmiş biyomikroskopLEICA DMi8
LightCycler 96 CihazıRoche16056
MEM-αGibcoC12571500BT
PBSHizmet biyografisiG4202 Serisi
Penisilin-Streptomisin-Amfoterisin BNCM BiyoteknolojiC100C8 Serisi
Piezo1 Birincil AntikorProtein teknolojisi15939-1-AP
PrimeScript RT reaktif Kiti (Mükemmel Gerçek Zamanlı)TakaraRR037A
SOX9 Birincil AntikorAbcamAB185230
TritonX-100 SerisiBİLİMSG6193 Serisi
Veriti Dx 96-kuyulu Termal DöngüleyiciTermo BalıkçıEN61326

References

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Schätti, O., et al. A combination of shear and dynamic compression leads to mechanically induced chondrogenesis of human mesenchymal stem cells. Eur Cell Mater. 22, 214-225 (2011).
  2. Yan, W., et al. Meniscal fibrocartilage regeneration inspired by meniscal maturational and regenerative process. Sci Adv. 9 (45), eadg8138(2023).
  3. Carroll, S. F., Buckley, C. T., Kelly, D. J. Cyclic hydrostatic pressure promotes a stable cartilage phenotype and enhances the functional development of cartilaginous grafts engineered using multipotent stromal cells isolated from bone marrow and infrapatellar fat pad. J Biomech. 47 (9), 2115-2121 (2014).
  4. Guo, T., et al. Effect of dynamic culture and periodic compression on human mesenchymal stem cell proliferation and chondrogenesis. Ann Biomed Eng. 44, 2103-2113 (2016).
  5. Shahin, K., Doran, P. M. Shear and compression bioreactor for cartilage synthesis. Methods Mol Biol. 1340, 221-233 (2015).
  6. Zhang, Y., et al. Dynamic compression combined with exogenous SOX-9 promotes chondrogenesis of adipose-derived mesenchymal stem cells in PLGA scaffold. Eur Rev Med Pharmacol Sci. 19 (14), 2671-2678 (2015).
  7. Pelaez, D., Arita, N., Cheung, H. S. Extracellular signal-regulated kinase (ERK) dictates osteogenic and/or chondrogenic lineage commitment of mesenchymal stem cells under dynamic compression. Biochem Biophys Res Commun. 417 (4), 1286-1291 (2012).
  8. Haugh, M. G., et al. Temporal and spatial changes in cartilage-matrix-specific gene expression in mesenchymal stem cells in response to dynamic compression. Tissue Eng Part A. 17 (23-24), 3085-3093 (2011).
  9. Luo, L., et al. The effects of dynamic compression on the development of cartilage grafts engineered using bone marrow and infrapatellar fat pad derived stem cells. Biomed Mater. 10 (5), 055011(2015).
  10. Kong, K., et al. Mechanical overloading leads to chondrocyte degeneration and senescence via Zmpste24-mediated nuclear membrane instability. iScience. 26 (11), 108199(2023).
  11. Thorpe, S. D., et al. Dynamic compression can inhibit chondrogenesis of mesenchymal stem cells. Biochem Biophys Res Commun. 377 (2), 458-462 (2008).
  12. Su, J., et al. The role of synovial mesenchymal stem cell-derived exosomes in cartilage repair: a systematic review. Front Pharmacol. 16 (16), 17874(2025).
  13. Wang, Z., et al. Mesenchymal stem cell-derived exosomes for the treatment of knee osteoarthritis: a systematic review and meta-analysis based on rat model. Front Pharmacol. 16, 1588841(2025).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Mechanical StimulationChondrogenic DifferentiationInfrapatellar Fat PadStem CellsDynamic CompressionHydrostatic PressureCartilage RegenerationMesenchymal Stem CellsBiomechanical ModulationCartilage Repair

Related Articles