コンドロイチン硫酸ベースのハイドロゲルに内包された骨髄間葉系幹細胞および軟骨細胞の軟骨形成反応に及ぼす機械的負荷の影響

The Effects of Mechanical Load on Chondrogenic Responses of Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells and Chondrocytes Encapsulated in Chondroitin Sulfate-Based Hydrogel.

抄録

関節軟骨は機械的過負荷に弱く、病変の修復能力も限られているため、変形性関節症（OA）などの慢性疾患の発症につながる。本研究では、ヒト骨髄間葉系幹細胞（BMMSC）とOA軟骨由来軟骨細胞の3次元コンドロイチン硫酸-チラミン/ゼラチン（CS-Tyr）/Gel）ハイドロゲル中での機械的負荷の有無による軟骨形成反応を検討した。軟骨細胞は、BMMSCsと比較して、サイズが小さく、増殖速度が遅く、細胞内カルシウム（iCa）レベルが高いことがわかった。TGF-β3添加/無添加のCS-Tyr/Gelを用いた3次元軟骨形成条件下では、軟骨細胞はBMMSCsに比べて軟骨オリゴマー・マトリックスタンパク質（COMP）の分泌が多く、コラーゲンII型（）およびアグレカン（）遺伝子を発現したが、力学負荷に対してより感受性が強かった。CS-Tyr/Gel/BMMSCs は CS-Tyr/Gel/chondrocytes よりも L 型チャネルサブユニット CaV1.2 () と Serca2 ポンプ () 遺伝子を発現しており、ICa のバランスがより安定に制御されていた。CS-Tyr/Gelハイドロゲル中のBMMSCsは、機械的負荷に対する感受性が低いため、軟骨再生目的への応用において軟骨細胞よりも有利である可能性がある。機械的負荷による軟骨の損傷と軟骨再生過程の曖昧さは、iCa制御チャネルの非効率的な制御と関連している可能性がある。

Articular cartilage is vulnerable to mechanical overload and has limited ability to restore lesions, which leads to the development of chronic diseases such as osteoarthritis (OA). In this study, the chondrogenic responses of human bone marrow mesenchymal stem cells (BMMSCs) and OA cartilage-derived chondrocytes in 3D chondroitin sulfate-tyramine/gelatin (CS-Tyr)/Gel) hydrogels with or without experimental mechanical load have been investigated. Chondrocytes were smaller in size, had slower proliferation rate and higher level of intracellular calcium (iCa) compared to BMMSCs. Under 3D chondrogenic conditions in CS-Tyr/Gel with or without TGF-β3, chondrocytes more intensively secreted cartilage oligomeric matrix protein (COMP) and expressed collagen type II () and aggrecan () genes but were more susceptible to mechanical load compared to BMMSCs. ICa was more stably controlled in CS-Tyr/Gel/BMMSCs than in CS-Tyr/Gel/chondrocytes ones, through the expression of L-type channel subunit CaV1.2 () and Serca2 pump () genes, and their balance was kept more stable. Due to the lower susceptibility to mechanical load, BMMSCs in CS-Tyr/Gel hydrogel may have an advantage over chondrocytes in application for cartilage regeneration purposes. The mechanical overload related cartilage damage in vivo and the vague regenerative processes of OA chondrocytes might be associated to the inefficient control of iCa regulating channels.