グルタミン酸テンプレート化ペプチドを機能化した自己組織化ペプチドヒドロゲルによるヒト間葉系幹細胞の骨形成能の向上

Enhanced Osteogenesis of Human Mesenchymal Stem Cells by Self-Assembled Peptide Hydrogel Functionalized with Glutamic Acid Templated Peptides.

• Günnur Onak
• Oğuzhan Gökmen
• Ziyşan Buse Yaralı
• Ozan Karaman

抄録

自己組織化ペプチド（SAP）ハイドロゲルは、3次元細胞培養や細胞の足場への移動・分化を促進したり、骨組織の欠損を修復したりするための優れた生体材料であることが示されています。本研究では、これまでに骨形成分化に対する生理活性が実証されている短い生理活性モチーフO1（EEGGC）とO2（EEEEEEE）を直接結合させ、0.5%, 1%, 2%の濃度で自己組織化させたSAP足場の一つであるKLD（KLDLKLDLKLDL）を設計した。我々の目的は、機械的特性を制御した注入可能なSAPハイドロゲルの骨形成とバイオミネラリゼーションを強化し、ペプチドハイドロゲルが骨欠損部にも注入可能になるようにすることであった。ナノファイバー状のペプチド足場の分子集積をAFMとSEMを用いて観察した。SAPの安定性を確保するために、SAPハイドロゲルのレオロジー特性および分解プロファイルを評価した。その結果、これらの生理活性ペプチド足場は、純粋なKLD足場と比較して、アルカリホスファターゼ（ALP）活性、総カルシウム沈着量などの生化学的分析から明らかになったhMSCの増殖を有意に促進することがわかった。さらに、KLDにグルタミン酸を添加することで、ALP活性、コラーゲンI型(COL-1)、オステオポンチン(OP)、オステオカルシン(OCN)の発現量をリアルタイムPCR及び免疫蛍光分析により測定したところ、主要な骨形成マーカーが有意に増加した。このように設計されたSAP足場は、hMSCの増殖と骨形成分化を促進することを明らかにした。これらの結果は、これらの生理活性ペプチド足場が骨組織再生の促進に有用であることを示唆している。

Self-assembling peptide (SAP) hydrogel has been shown to be an excellent biological material for 3-dimension cell culture and stimulatie cell migration and differentiation into the scaffold, as well as for repairing bone tissue defects. Herein, we designed one of the SAP scaffolds KLD (KLDLKLDLKLDL) through direct coupling to short bioactive motif O1 (EEGGC) and O2 (EEEEE) of which bioactivity on osteogenic differentiation was previously demonstrated and self-assembled in different concentrations (0.5%, 1% and 2%). Our aim was to enhance osteogenesis and biomineralization of injectable SAP hydrogels with controlled mechanical properties so that the peptide hydrogel also becomes capable of being injected to bone defects. The molecular integration of the nanofibrous peptide scaffolds was observed using AFM and SEM. The rheological properties and degradation profile of SAP hydrogels were evaluated to ensure stability of SAPs. Compared to pure KLD scaffold, we found that these designed bioactive peptide scaffolds significantly promoted hMSCs proliferation depicted by biochemical analysis of alkaline phosphatase (ALP) activity, total calcium deposition. Moreover, key osteogenic markers of ALP activity, collagen type I (COL-1), osteopontin (OP) and osteocalcin (OCN) expression levels determined by real-time PCR and immunofluorescence analysis were also significantly increased with the addition of glutamic acid residues to KLD. We demonstrated that the designed SAP scaffolds promoted the proliferation and osteogenic differentiation of hMSCs. Our results suggest that these designed bioactive peptide scaffolds may be useful for promoting bone tissue regeneration.

This article is protected by copyright. All rights reserved.