کنترل تمایز استخوانی سلول های بنیادی از طریق هیدروژل های نرم هوشمند زیستی

تمایز به استخوان سلول های بنیادی مزانشیمی انسان (hMSCs) توسط عوامل فیزیکی و بیوشیمیایی مختلف هدایت می شود. درمیان این عوامل، ساختار ماتریکس خارج سلولی (به عنوان مثال، سختی) به عنوان یک سیگنال فیزیکی استخوان زایی که می تواند به استخوان سازی درون غضروفی قالب های اسکلتی غضروفی کمک کند، مورد توجه زیادی قرار گرفته است. با این حال، سلول های بنیادی در تشکیل درون غشائی استخوان ، که برروی یک محیط بافتی سازگار تر رخ می دهد نیز شرکت می کنند. برای درک بیشتر نقش متقابل ماتریکس در این فرایند، ما تمایز سلول های بنیادی مزانشیمی کشت یافته بر روی شبکه های نیمه تراوای پلی N- ایزوپروپیل اکریل آمید (p(NIPAAm)) با سختی کم (102، 390 و یا 970 Pa ) را که با اتصال به دنباله bsp-RGD پپتید اینتگرین

(15)  0, 105 or 210 µM)) تغییر یافته بود، مورد بررسی قرار دادیم. چسبندگی سلولی، تکثیر و تمایز استخوانی سلول های بنیادی مزانشیمی که بوسیله بیان آلکالین فسفاتاز (ALP)، RUNX2، سیالوپروتئین استخوان و پروتئین استئوکلسین اندازه گیری شده بود، در بسترهای با سختی وغلظت پپتید بالاتر بیشتر بود. با این حال، در این محدوده از سختی بستر، بسیاری از عملکردهای سلولی استخوانی با افزایش سختی  و یا تراکم پپتید افزایش یافت. این یافته ها نشان می دهد که در یک بستر نرم با سختی کم، تمایل بالای چسبندگی لیگاند می تواند جایگزینی برای یک ماتریکس سخت برای پیشبرد تمایز استخوان باشد.

PLoS One. 2014 Jun 17;9(6):e98640. doi: 10.1371/journal.pone.0098640. eCollection 2014.

Controlling Osteogenic Stem Cell Differentiation via Soft Bioinspired Hydrogels.

Jha AK¹, Jackson WM¹, Healy KE².

Abstract

Osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSCs) is guided by various physical and biochemical factors. Among these factors, modulus (i.e., rigidiy) of the ECM has gained significant attention as a physical osteoinductive signal that can contribute to endochondral ossification of a cartilaginous skeletal template. However, MSCs also participate in intramembranous bone formation, which occurs de novo from within or on a more compliant tissue environment. To further understand the role of the matrix interactions in this process, we evaluated osteogenic differentiation of hMSCs cultured on low moduli (102, 390 or 970 Pa) poly(N-isopropylacrylamide) (p(NIPAAm)) based semi-interpenetrating networks (sIPN) modified with the integrin engaging peptide bsp-RGD(15) (0, 105 or 210 µM). Cell adhesion, proliferation, and osteogenic differentiation of hMSCs, as measured by alkaline phosphatase (ALP), runt-related transcription factor 2 (RUNX2), bone sialoprotein-2 (iBSP), and osteocalcien (OCN) protein expression, was highest on substrates with the highest modulus and peptide concentrations. However, within this range of substrate stiffness, many osteogenic cellular functions were enhanced by increasing either the modulus or the peptide density. These findings suggest that within a compliant and low modulus substrate, a high affinity adhesive ligand serves as a substitute for a rigid matrix to foster osteogenic differentiation.

PMID: 24937602