ヒト間葉系幹細胞の細胞外マトリックス内での縮合駆動型軟骨形成.肥大度の低い軟骨の形成と生理学的に関連する力学的特性

Condensation-Driven Chondrogenesis of Human Mesenchymal Stem Cells within Their Own Extracellular Matrix: Formation of Cartilage with Low Hypertrophy and Physiologically Relevant Mechanical Properties.

• Yuanheng Yang
• Yuwei Liu
• Zixuan Lin
• He Shen
• Caitlin Lucas
• Biao Kuang
• Rocky S Tuan
• Hang Lin

抄録

間葉系幹細胞（MSC）は、損傷した軟骨を再生するための有望な細胞源である。本研究では、MSCをコンフルエント条件下で10日間培養し、細胞外マトリックス（mECM）の沈着を最適化することで、MSCの軟骨形成をサポートするための足場となる。その後、MSCを含浸させたmECM（MSC-mECM）複合体をトリプシンで短時間処理し、MSCが自身のmECMから切り離されることなく丸い形態を採用することを可能にします。コンストラクトは、その後、軟骨培地で培養されています。興味深いことに、トリプシン除去後、処理されたMSCは、特にピーナッツアグルチニン染色と免疫検出可能なN-カドヘリンの発現によって示される、発達性軟骨形成中の間葉系凝縮を模倣した凝集プロセスを経て、堅牢な軟骨分化が続く。従来のペレット培養と比較すると、軟骨に誘導されたMSC-mECMは、同程度の軟骨形成を示しますが、有意に肥大が減少しています。MSC-mECM由来のコンストラクトの修復能力は、ウシ軟骨を用いて評価されます。機械的な試験と組織学的な結果から、MSC-mECM由来の人工軟骨は、周囲の天然軟骨組織とのより良い融合を形成し、ペレット培養よりもはるかに低い肥大分化を示すことが示されました。これらの知見を総合すると、MSC-mECMは、外因性の足場を使用せずにヒアリン軟骨の損傷を修復するための有効な幹細胞ベースの製品である可能性があることが示された。

Mesenchymal stem cells (MSCs) represent a promising cell source to regenerate injured cartilage. In this study, MSCs are cultured under confluent conditions for 10 days to optimize the deposition of the extracellular matrix (mECM), which will serve as the scaffold to support MSC chondrogenesis. Subsequently, the MSC-impregnated mECM (MSC-mECM) composite is briefly treated with trypsin, allowing the MSCs to adopt a round morphology without being detached from their own mECM. The constructs are then cultured in a chondrogenic medium. Interestingly, after trypsin removal, the treated MSCs undergo an aggregation process, mimicking mesenchymal condensation during developmental chondrogenesis, specifically indicated by peanut agglutinin staining and immunodetectable N-cadherin expression, followed by robust chondrogenic differentiation. In comparison to conventional pellet culture, chondrogenically induced MSC-mECM displays a similar level of chondrogenesis, but with significantly reduced hypertrophy. The reparative capacity of the MSC-mECM derived construct is assessed using bovine cartilage explants. Mechanical testing and histology results show that engineered cartilage from MSC-mECM forms better integration with the surrounding native cartilage tissue and displays a much lower hypertrophic differentiation than that from pellet culture. Taken together, these findings demonstrate that MSC-mECM may be an efficacious stem cell-based product for the repair of hyaline cartilage injury without the use of exogenous scaffolds.

© 2019 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.