Summary

遠心重力によって脂肪由来幹細胞の軟骨形成分化誘導

Published: February 24, 2017
doi:

Summary

Mechanical stress can induce the chondrogenic differentiation of stem cells, providing a potential therapeutic approach for the repair of impaired cartilage. We present a protocol to induce the chondrogenic differentiation of adipose-derived stem cells (ASCs) using centrifugal gravity (CG). CG-induced upregulation of SOX9 results in the development of chondrogenic phenotypes.

Abstract

Impaired cartilage cannot heal naturally. Currently, the most advanced therapy for defects in cartilage is the transplantation of chondrocytes differentiated from stem cells using cytokines. Unfortunately, cytokine-induced chondrogenic differentiation is costly, time-consuming, and associated with a high risk of contamination during in vitro differentiation. However, biomechanical stimuli also serve as crucial regulatory factors for chondrogenesis. For example, mechanical stress can induce chondrogenic differentiation of stem cells, suggesting a potential therapeutic approach for the repair of impaired cartilage. In this study, we demonstrated that centrifugal gravity (CG, 2,400 × g), a mechanical stress easily applied by centrifugation, induced the upregulation of sex determining region Y (SRY)-box 9 (SOX9) in adipose-derived stem cells (ASCs), causing them to express chondrogenic phenotypes. The centrifuged ASCs expressed higher levels of chondrogenic differentiation markers, such as aggrecan (ACAN), collagen type 2 alpha 1 (COL2A1), and collagen type 1 (COL1), but lower levels of collagen type 10 (COL10), a marker of hypertrophic chondrocytes. In addition, chondrogenic aggregate formation, a prerequisite for chondrogenesis, was observed in centrifuged ASCs.

Introduction

関節軟骨の欠損は、自然治癒しません。したがって、幹細胞移植は、障害、軟骨の修復のための有望なアプローチとして提案されています。しかし、この方法は、幹細胞の十分な数の取得および軟骨形成分化を受けるため、これらの細胞の誘導の両方を必要とします。骨髄(BM)が広く、幹細胞の供給源として使用されているが、BMからの細胞の単離は、2つの主要な欠点があります侵襲性および不十分な収率。なぜなら取得が容易で、脂肪組織は、幹細胞の好ましい供給源です。以前の研究は、脂肪組織から幹細胞を単離し、例えば、TGF-β11、2のようなサイトカインを用いたこれらの細胞における軟骨形成分化を誘導することの実現可能性を実証しました。これらの方法は有効であるが、高価です。

サイトカインに対する低コストの代替手段として、機械的応力をするために使用することができます軟骨形成分化を誘導します。機械的荷重は、関節軟骨3の健康を維持する上で重要な役割を果たし、それが種々の細胞における軟骨形成の表現型を誘導することができます。例えば、静水圧は、MAPキナーゼ/ JNK経路4を介して滑膜由来前駆細胞における軟骨形成の表現型を誘導し、そして機械的圧縮は軟骨細胞の遺伝子5をアップレギュレートすることによって、ヒト間葉系幹細胞(MSC)で軟骨形成を誘導します。また、せん断応力は、ヒトMSC 6における軟骨形成に関連した細胞外マトリックス(ECM)の発現に寄与する。遠心重心(CG)、遠心分離によって生成さ容易に適用され、制御機械的応力は、セル7で異なる遺伝子発現を誘導することができます。例えば、肺上皮癌細胞において、インターロイキン(IL)-1bの発現を遠心分離8によってアップレギュレートされます。 Therefore、実験的に誘導機械的応力として、CGは、幹細胞における軟骨の遺伝子発現を誘導するために使用することができます。しかし、CGは、幹細胞の軟骨形成分化を誘導することができるかどうかは不明のままです。

本研究では、CGは軟骨細胞の遺伝子の過剰発現の結果、人間のASCで、SOX9、軟骨形成のマスターレギュレータのアップレギュレーションを誘導したことがわかりました。また、我々は、TGF-β1のものと軟骨のCGの効果は、成長因子は、最も一般的には、幹細胞にインビトロ軟骨形成を誘導するために使用される比較しました。

Protocol

この研究プロトコルは、カトリック大学校(KC16EAME0162)の施設内倫理委員会によって承認され、NIHガイドラインに従って実施しました。すべての組織は、書面によるインフォームドコンセントが得られました。 1.遠心重力ロードとペレット文化細胞培養および収穫培養のASC(P2-P3、材料のリストを参照)を37℃で10%ウシ胎児血清(FBS)および1%ペニシリン/…

Representative Results

遠心重力は、脂肪由来幹細胞における軟骨形成分化マーカーの過剰発現を誘導します。 軟骨形成分化を誘導するのに適している遠心重力の程度を決定するために、ASCを15分間CG(0、300、600、1,200及び2,400 XG)の異なる程度で刺激しました。刺激後、ASCを培養プレート上に再播種し、24時間培養しました。 図1Aに?…

Discussion

細胞の幹細胞性の状態は、SOX9のCG誘発性過剰発現のために非常に重要です。我々の研究では、SOX9の発現はなく、後述する通路のASCで、初期継代のASC(2-3)でCGによって誘発される可能性があります。培養中、ASCを3継代16までCD34 +細胞を含む、ことが報告されています。 ASCは、細胞がCGに低応答特性が得られ、継代されているとして、CD34の発現を失う傾向があります。

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Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This research was supported by a grant of the Korea Health Technology R&D Project through the Korea Health Industry Development Institute (KHIDI), funded by the Ministry of Health & Welfare, Republic of Korea (grant number: HI14C2116) and by Research Fund of Seoul St. Mary’s Hospital, The Catholic University of Korea.

Materials

Plasticware
100mm Dish TPP 93100
60mm Dish TPP 93060
50 mL Cornical Tube SPL 50050
15 mL Cornical Tube SPL 50015
10 mL Disposable Pipette Falcon 7551
5 mL Disposable Pipette Falcon 7543
Name Company Catalog Number Comments
ASC Culture Media Materials
DPBS Life Technologies 14190-144
DMEM Low glucose Life Technologies 11885-084 growth base media
Penicilin Streptomycin Sigma Aldrich P4333 1%
Fetal Bovine Serum Life Technologies 16000-044 10%
PBS/1 mM EDTA Life Technologies 12604-039
Name Company Catalog Number Comments
Chondrogenic Differentiation Media Materials
DMEM High glucose Life Technologies 11995 chondrogenic differentiation base media
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100X) Life Technologies 11140-050
Dexamethasone Sigma Aldrich D2915 100nM
Penicilin Streptomycin Life Technologies P4333 1%
Fetal Bovine Serum Life Technologies 16000-044 1%
Ascorbate-2-phosphate Sigma Aldrich A8960 50ug/ml
L-proline Sigma Aldrich P5607 50ug/ml
ITS BD 354352 1%
Human TGFβ1 Peprotech 100-21 10ng/ml
Name Company Catalog Number Comments
Materials
18 mm Cover Glass Superior HSU-0111580
4% Paraformaldyhyde Tech & Innovation BPP-9004
Tween 20 BIOSESANG T1027
Bovine Serum Albumin Vector Lab SP-5050
Anti-Collagen II antibody abcam  ab34712 1:100
 Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Secondary Antibody,
 Alexa Fluor 594 conjugate 
Molecular Probe  A-11037 1:200
DAPI Molecular Probe D1306
Prolong gold antifade reagent Invitrogen P36934
Slide Glass, Coated Hyun Il Lab-Mate HMA-S9914
Trizol Invitrogen 15596-018
Chloroform Sigma Aldrich 366919
Isoprypylalcohol Millipore 109634
Ethanol Duksan 64-17-5
RevertAid First Strand cDNA Synthesis kit Thermo Scientfic K1622
i-Taq DNA Polymerase iNtRON BIOTECH 25021
UltraPure 10X TBE Buffer Life Technologies 15581-044
loading star Dyne Bio A750
Agarose Sigma-Aldrich 9012-36-6
1kb (+) DNA ladder marker Enzynomics DM003
Human adipose-derived stem cells (ASCs)  Catholic MASTER Cells

References

  1. Awad, H. A., Halvorsen, Y. D., Gimble, J. M., Guilak, F. Effects of transforming growth factor beta1 and dexamethasone on the growth and chondrogenic differentiation of adipose-derived stromal cells. Tissue Eng. 9 (6), 1301-1312 (2003).
  2. Erickson, G. R., et al. Chondrogenic potential of adipose tissue-derived stromal cells in vitro and in vivo. Biochem Biophys Res Commun. 290 (2), 763-769 (2002).
  3. Sah, R. L., et al. Biosynthetic response of cartilage explants to dynamic compression. J Orthop Res. 7 (5), 619-636 (1989).
  4. Sakao, K., et al. Induction of chondrogenic phenotype in synovium-derived progenitor cells by intermittent hydrostatic pressure. Osteoarthritis Cartilage. 16 (7), 805-814 (2008).
  5. Li, Z., Yao, S. J., Alini, M., Stoddart, M. J. Chondrogenesis of human bone marrow mesenchymal stem cells in fibrin-polyurethane composites is modulated by frequency and amplitude of dynamic compression and shear stress. Tissue Eng Part A. 16 (2), 575-584 (2010).
  6. Alves da Silva, M. L., et al. Chondrogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells in chitosan-based scaffolds using a flow-perfusion bioreactor. J Tissue Eng Regen Med. 5 (9), 722-732 (2011).
  7. Maeda, S., et al. Changes in microstructure and gene expression of articular chondrocytes cultured in a tube under mechanical stress. Osteoarthritis Cartilage. 13 (2), 154-161 (2005).
  8. Yang, J., Hooper, W. C., Phillips, D. J., Tondella, M. L., Talkington, D. F. Centrifugation of human lung epithelial carcinoma a549 cells up-regulates interleukin-1beta gene expression. Clin Diagn Lab Immunol. 9 (5), 1142-1143 (2002).
  9. Rio, D. C., Ares, M., Hannon, G. J., Nilsen, T. W. Purification of RNA using TRIzol (TRI reagent). Cold Spring Harb Protoc. (6), (2010).
  10. Lorenz, T. C. Polymerase chain reaction: basic protocol plus troubleshooting and optimization strategies. J Vis Exp. (63), e3998 (2012).
  11. Jang, Y., et al. UVB induces HIF-1alpha-dependent TSLP expression via the JNK and ERK pathways. J Invest Dermatol. 133 (11), 2601-2608 (2013).
  12. Wu, Y. L., et al. Immunodetection of human telomerase reverse-transcriptase (hTERT) re-appraised: nucleolin and telomerase cross paths. J Cell Sci. 119, 2797-2806 (2006).
  13. Bobick, B. E., Chen, F. H., Le, A. M., Tuan, R. S. Regulation of the chondrogenic phenotype in culture. Birth Defects Res C Embryo Today. 87 (4), 351-371 (2009).
  14. Akiyama, H., Chaboissier, M. C., Martin, J. F., Schedl, A., de Crombrugghe, B. The transcription factor Sox9 has essential roles in successive steps of the chondrocyte differentiation pathway and is required for expression of Sox5 and Sox6. Genes Dev. 16 (21), 2813-2828 (2002).
  15. Lefebvre, V., Huang, W., Harley, V. R., Goodfellow, P. N., de Crombrugghe, B. SOX9 is a potent activator of the chondrocyte-specific enhancer of the pro alpha1(II) collagen gene. Mol Cell Biol. 17 (4), 2336-2346 (1997).
  16. Jang, Y., et al. Characterization of adipose tissue-derived stromal vascular fraction for clinical application to cartilage regeneration. In Vitro Cell Dev Biol Anim. 51 (2), 142-150 (2015).
  17. Chen, J., et al. Simultaneous regeneration of articular cartilage and subchondral bone in vivo using MSCs induced by a spatially controlled gene delivery system in bilayered integrated scaffolds. Biomaterials. 32 (21), 4793-4805 (2011).
  18. Janzen, V., et al. Stem-cell ageing modified by the cyclin-dependent kinase inhibitor p16INK4a. Nature. 443 (7110), 421-426 (2006).
  19. Muraglia, A., Cancedda, R., Quarto, R. Clonal mesenchymal progenitors from human bone marrow differentiate in vitro according to a hierarchical model. J Cell Sci. 113, 1161-1166 (2000).

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Cite This Article
Jang, Y., Jung, H., Ju, J. H. Chondrogenic Differentiation Induction of Adipose-derived Stem Cells by Centrifugal Gravity. J. Vis. Exp. (120), e54934, doi:10.3791/54934 (2017).

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