Local delivery of stem cells on BMP-7 nanoparticle-loaded fibrous scaffolds For enhanced articular cartilage repair

Abstract

For application to articular cartilage defects, we designed that bone morphogenetic protein-7 (BMP-7) encapsulated in nanoparticles was released from a novel poly (D, L-lactide-co-glycolide) (PLGA) fiber. Controlled BMP-7 release with architectural support with PLGA microfiber was optimized to stimulate the joint restoration. In this study, the release kinetics was characterized for maintaining BMP-7 concentration window in 43.73-201.2ng/ml range with initial burst of 335.23ng/ml. At 6 weeks after implantation of the construct, the gross morphological and histological examination of chondrogenesis was evaluated in rabbit osteochondral defects. Regenerated cartilage showed hyaline cartilage following native cartilage and deposition of glycosaminoglycan (GAG), strongly positive stained in safranin-O than a control group. In addition, stem cells were introduced to reinforce the effects of BMP-7 and the scaffold in vivo, and it provided the capacity of more complete capacity to repair the subchondral bone. These results indicated that the controlled BMP-7 release with PLGA fibers might be a potential approach to osteochondral repair. Furthermore, Stem cells have chondrogenic potential, but it required three-dimensional environment to differentiate. In this study, a spheroid form of stem cells was introduced with PLGA fiber to maximize the cell-based tissue engineering. The construct was compared with single cell suspension type of stem cells in vitro. Simultaneously, chondrogenic potential of the spheroid type of stem cells on the BMP-7 nanoparticle-releasing fiber was evaluated. On reverse transcription-PCR (RT-PCR), spheroid type of cells with scaffold showed remarkable aggrecan and collagen type Ⅱ expressions, and also spheroid with BMP-7 group strongly expressed sox-9 gene. In glycosaminoglycan (GAG) assay, there’s important improvement of GAG contents in spheroid with BMP-7. From the result of chondrogenic potential of SDSC spheroid with BMP-7 releasing-PLGA fiber verified in vitro, the construct might be a novel approach to osteochondral repair. ;In vivo에서의 연골 조직 재생을 위하여, BMP-7을 나노입자화하고, 섬유형태의 PLGA 지지체를 통해 이를 전달하는 재생 복합체를 제작하였다. 연골 손상부위에 섬유형 지지체를 삽입하여 구조적인 구조적인 형태를 부여하고, 지지체로부터 조절 방출되어 나오는 BMP-7으로부터 연골 재생능을 평가하고자 하였다. In vitro에서 BMP-7 나노 입자 방출을 분석하였을 때, 지속적인 43.73-201.2ng/ml 범위의 용출양상을 보였고, 초기의335.23ng/ml 로 과량이 용출되었다. 복합지지체가 삽입 6주 후, 연골 손상모델에서, 재생 부위의 형태의 조직학적으로 관찰한 결과, 실험군에서 히알린 연골이 재생된 것으로 육안으로 확인하였고, 통제군에 비해 safranin-o 염색이 강하게 염색 되어 GAG.가 형성되었음을 확인하였다. 또한, BMP-7과 지지체의 효과를 강화하기 위하여 활액유래줄기 세포를 도입하였을 때, 연골층과 해면질 골의 형성까지 관찰할 수 있었다. 이 결과를 통해, 섬유형 PLGA 지지체를 이용하여 BMP-7의 지속방출 가능한 복합체가 강력한 연골 재생능을 보이는 것을 확인하였다. 줄기세포는 연골분화능이 뛰어나지만, 이를 위해서는 삼차원적 환경이 필수적이다. 조직 재생 기술을 극대화하기 위해서는 세포를 도입해야 하지만, 많은 연구에서 불충분한 결과를 보였다. 섬유형 PLGA 지지체를 도입함과 동시에 spheroid 형태의 세포를 이식하여 그 효과를 극대화하고자 한다. 이번 연구에서는 in vitro상에서 단일 세포를 지지체에 도입했을 때와 spheroid형태의 세포를 지지체에 도입했을 때의 차이를 비교하고, BMP-7 나노 입자를 방출하는 지지체와는 어떤 차이가 있는 지 알아보기 위해서 수행되었다. PCR를 통한 유전자 발현과 GAG assay를 통한 GAG contents 양의 비교를 통해, spheroid 형태의 세포가 BMP-7 방출 지지체와 함께 도입되었을 때, 우수한 연골분화능을 나타내었다.