Summary

Chondrogenic Differensiering Induksjon av adipose-avledet stamceller ved Sentrifugal Gravity

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

Defekter i leddbrusk ikke gro naturlig. Derfor stamcelletransplantasjon har blitt foreslått som en lovende metode for reparasjon av svekket brusk. Imidlertid krever denne metoden både oppkjøp av et tilstrekkelig antall stamceller og induksjon av disse cellene til å gjennomgå chondrogenic differensiering. Benmarg (BM) har blitt mye brukt som en kilde av stamceller, men celleisolasjon fra BM har to store ulemper: invasivitet og utilstrekkelig kapasitet. På grunn av sin enkle oppkjøpet, er fettvev en foret kilde til stamceller. Tidligere studier demonstrert muligheten for å isolere stamceller fra fettvev og indusere differensiering chondrogenic i disse cellene ved anvendelse av cytokiner, slik som TGF-β1 1, 2. Disse fremgangsmåtene er effektive, men kostbare.

Som et rimeligere alternativ til cytokiner, kan mekanisk stress brukes til åindusere chondrogenic differensiering. Mekanisk belastning spiller en avgjørende rolle i å opprettholde helsen til leddbrusk tre, og det kan indusere chondrogenic fenotyper i forskjellige celler. For eksempel, hydrostatiske trykket induserer chondrogenic fenotyper i synovialhinne-avledet stamceller via MAP kinase / JNK vei 4, og mekanisk kompresjon induserer chondrogenesis i humane stamceller (MSC) ved oppregulering chondrocytic gener 5. I tillegg bidrar skjærspenning til ekspresjon av chondrogenesis relaterte ekstracellulære matriks (ECM) i humane MSC 6. Sentrifugal gravitasjon (CG), en lett brukt og kontrollert mekanisk stress generert ved sentrifugering, kan indusere differensial genuttrykk i celler 7. For eksempel, i lunge epiteliale karcinomceller, blir ekspresjon av interleukin (IL) -1b oppregulert ved sentrifugering 8. Therefore, som et eksperimentelt induserbar mekaniske påkjenninger, cg kan anvendes for å indusere chondrocytic genekspresjon i stamceller. Imidlertid er det fortsatt uklart om CG kan indusere chondrogenic differensiering av stamceller.

I denne studien fant vi at CG indusert oppregulering av SOX9, en mester regulator av chondrogenesis, i menneskelige ASCs, noe som resulterer i overekspresjon av chondrocytic gener. I tillegg, sammenlignet vi effektene av CG på chondrogenesis med de til TGF-β1, vekstfaktor som oftest anvendt for å indusere in vitro chondrogenesis i stamceller.

Protocol

Denne studien protokollen ble godkjent av Institutional Review Board of The Catholic University of Korea (KC16EAME0162) og utført i henhold til NIH retningslinjer. Alle vev ble oppnådd med skriftlig informert samtykke. 1. Syklon Gravity Lasting og Pellet Kultur Cellekultur og høsting Kultur ASCer (P2-P3, se liste over materialer) i Dulbeccos modifiserte Eagles medium-lav glukose (DMEM-LG) supplert med 10% føtalt bovint serum (FBS) og 1% penicillin / streptomycin (P / …

Representative Results

Sentrifugale gravitasjon induserer overekspresjon av chondrogenic differensieringsmarkører i adipose-avledet stamceller. For å bestemme graden av sentrifugalkraften tyngdekraften som er egnet til å indusere differensiering chondrogenic, ble ASCer stimulert med forskjellige grader av CG (0, 300, 600, 1200, og 2400 x g) i 15 min. Etter stimulering, at ASCer ble gjen sådd ut på kulturplater og dyrket i 24 timer. Som vist i <…

Discussion

Den stemness tilstand av celler er svært viktig for CG-indusert overekspresjon av SOX9. I vår studie kunne SOX9 uttrykk induseres av CG tidlig-passasjen ASCs (2-3), men ikke i senere-passasjen ASCs. Det har blitt rapportert at, under dyrking, ASCer inneholde CD34 + celler til 3 passasjer 16. ASC har en tendens til å miste ekspresjon av CD34 som cellene er passert, noe som resulterer i en lav respons til CG.

Med sentrifugal tyngdekraften, kan det hydrostatiske trykk…

Declarações

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

Referências

  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).

Play Video

Citar este artigo
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).

View Video