Chondrogenic differentiation and proliferation potential of human adipose-derived stem cells combined porous chitosan-based scaffolds for articular cartilage formation in vitro

Huang, Yijiang (2019): Chondrogenic differentiation and proliferation potential of human adipose-derived stem cells combined porous chitosan-based scaffolds for articular cartilage formation in vitro. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Human adipose-derived adult stem cells (hADSCs) are considered to be an alternative cell source for cell-based cartilage repair because of their ability to differentiate into a chondrogenic phenotype in response to specific environmental signals such as growth factors or biomimetic bioreactors. In this study, the chondrogenic differentiation and cartilage formation potential of hADSCs seeded onto three-dimensional (3D) porous, glutaraldehyde-crosslinked chitosan scaffolds in comparison to pellet culture in vitro after cultivation for up to 28 days, was investigated. By culturing either in normal or chondrogenic medium containing human transforming growth factor beta 3 (hTGF-β 3 ), the cartilage formation potential was assessed using a combination of viability, proliferation, scanning electron microscopy and quantitative RT-PCR assays. Scanning electron microscopy coupled with Alcian blue staining, Collagen type 2 immunofluorescence and the up-regulation of COL2A1, ACAN, COMP and SOX9 in untreated and treated (chondrogenic medium) chitosan scaffolds and 3D cell pellets, indicated a progression of hADSCs towards a chondrogenic lineage that showed the capacity to form a cartilage matrix within the porous structure of the chitosan scaffolds. Whilst limited articular cartilage matrix formation was found within samples with hADSCs under non-chondrogenic in vitro conditions, supported by the down-regulation of both COL1A1 and COL10A1, the inverse was true for those in the chondrogenic medium where hADSCs were seen depositing “a” cartilaginous matrix but that seemed to be predestined for endochondral ossification. These results clearly re-iterate the potential of hADSCs as a viable and reliable stem cell source that together with chitosan scaffolds have the potential to re-form or heal cartilaginous defect sites of an articular nature. However, hTGF-β 3 does not appear as a suitable chondrogenic differentiation morphogen as it seems to cause endochondral ossification.

Abstract

Humane, von adipösem Gewebe gewonnene Erwachsene Stammzellen (hADSCs) gelten aufgrund ihrer Fähigkeit, unter spezifische Umweltsignale wie Wachstumsfaktoren oder biomimetische Bioreaktoren, sich in chondrogenischen Phänotyp zu differenzieren, als alternative Zellquelle für die zellbasierte Knorpelreparatur. In dieser Studie wurde das chondrogene Differenzierungs- und Knorpelbildungspotential von hADSCs auf dreidimensionalen (3D) porösen, Glutaraldehyd-vernetzten Chitosangerüsten im Vergleich zu Pelletkulturen in vitro nach Kultivierung bis zu 28 Tagen untersucht. Durch Kultivieren entweder in normalem oder chondrogenem Medium, das den humanen transformierenden Wachstumsfaktor beta 3 (hTGF-β 3 ) enthielt, wurde das Knorpelbildungspotential unter Verwendung einer Kombination von Viabilität, Proliferation, Rasterelektronenmikroskopie und quantitativen RT-PCR-Assays bewertet. Rasterelektronenmikroskopie gekoppelt mit Alcian-Blau-Färbung, Collagen-Typ-2-Immunfluoreszenz und die Hochregulation von COL2A1, ACAN, COMP und SOX9 in unbehandelten und behandelten (Chondrogen-Medium) Chitosan-Gerüsten und 3D-Zellpellets zeigten eine Progression von hADSCs hin zu einer chondrogenischen Zellen Linie welches die Fähigkeit zeigte, eine Knorpelmatrix innerhalb der porösen Struktur der Chitosangerüste zu bilden. Während begrenzte artikulare Knorpelmatrixbildung innerhalb der Proben mit hADSCs unter nicht-chondrogenem in vitro Bedingungen gefunden wurde, unterstützt durch die Herunterregulierung von sowohl COL1A1 als auch COL10A1, war die Umkehrung für jene in chondrogenem Medium zutreffend, wo hADSCs eine Knorpelmatrix deponierten welches mehr zur Endochondralen Ossifikation prädestiniert gewesen zu schien. Diese Ergebnisse zeigen ein deutlich das Potenzial von hADSCs als eine lebensfähige und zuverlässige Stammzellquelle, die zusammen mit Chitosangerüsten das Potenzialhaben, knorpelige Defektstellen von einer artikularen Natur neu zu bilden oder zu heilen.Humanes TGF-β 3 erscheint jedoch nicht als ein geeignetes chondrogenes Differenzierungsmorphogen zu sein, da es eine Knorpelmatrix Deponierung verursacht welches zur Endochondralen Ossifikation neigt.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Chitosan, Adipose-derived stem cells, Chondrogenic Differentiation, Cartilage Formation, Articular cartilage, hTGF-β3
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 13. März 2019
• 1. Bericht­erstatter:in: Müller, Peter