THERMOSENSITIVE POLYPEPTIDE HYDROGELS FOR TISSUE ENGINEERING

Abstract

Aqueous solutions of compounds that undergo sol-to-gel transition as the temperature increases can be a promising platform for biomedical technologies including drug delivery and tissue engineering. In this thesis, thermosensitive polypeptide hydrogels for tissue engineering are investigated. The thermosensitive polypepetide hydrogels were poly(alanine)-poloxamer-poly(alanine) (PA-PLX-PA), poly(ethylene glycol)-poly(L-alanine) (PEG-L-PA), and poly (ethylene glycol)-poly(alanine-co-phenyl alanine) (PEG-PAF) aqueous solution. Cell culture systems are indispensable tools for basic research and a wide range of clinical in vitro studies. However, conventional 2D cell cultures poorly mimic the conditions in the living organism. Therefore, we present here a study on selected 3D cell cultures using chondrocyte and stem cells. First work was unique in that biomimetic nanofibrous structures were introduced by ionic interactions between cationic rigid-flexible block polypeptides and anionic hyaluronic acid (HA). To investigate the effect of the HA in the tissue engineering application, we cultured chondrocytes in a 3D matrix of thermosensitive polypeptide hydrogel. The cell proliferation and biomarker expression for articular cartilage were observed in the presence of HA relative to the absence of HA or in the MatrigelTM system. This research emphasizes the importance of nanobiotechnology by providing a new method to develop a directional nanostructure through ionic interactions and proving its potential biomedical application. Second work was reporting the use of PEG-L-PA thermogel for differentiation on human bone marrow derived mesenchymal stem cells (BMMSCs). 3D culture system of BMMSCs was prepared by increasing the temperature of cell suspended aqueous solutions to 37 oC through the temperature senitive sol-to-gel transition. Cell proliferation, cell viability, and mRNA expression were investigated in vitro study. The aqueous cell suspension was injected into the subcutaneous layer of BALB/c mice for in vivo study, where the 3D matrix of the cell/hydrogel was produced in situ by temperature senitive sol-to-gel transition. This research suggests that BMMSCs/PEG-L-PA is a promising system for the injectable tissue engineering application of the BMMSCs. Third work was to create a suitable environment which induces the desired tissue formation by release of growth factors and extracellular matrices (ECMs) from cells. The adipogenic, osteogenic, and chondrogenic differentiation of tonsil derived mesenchymal stem cells (TMSCs) in vitro and in vivo were evaluated. Through these experiments, PEG-PAF thermogel proved to be a suitable material for inducing the chondrogenic differentiation the transplanted TMSCs. This thesis not only provided important clues in designing an artificial ECM but also proved the significance of thermosensitive polypepetide hydrogels as a injectable tissue engineering application.;온도가 증가함에 따라 졸-젤 전이를 보이는 화합물의 수용액은 약물전달과 조직공학의 생명의학기술의 유망한 플랫폼이 될수 있다. 이 논문에서는 조직공학을 위한 온도민감성 폴리펩타이드 수화젤을 살펴보았다. 온도민감성 폴리펩타이드 수화젤은 폴리(알라닌)-폴록사머-폴리(알라닌) (PA-PLX-PA), 폴리(에틸렌 글리콜)-폴리(L-알라닌) (PEG-L-PA), 그리고 폴리(에틸렌 글리콜)-폴리(알라닌-페닐알라닌) (PEG-PAF) 수용액이었다. 세포 배양 시스템은 in vitro에서의 기초연구와 넓은 범위의 임상에서 필수적인 수단이다. 그러나 종래의 2D 세포 배양은 생물의 조건들과 매우 다르다. 그러므로 우리는 여기서 연골세포와 줄기세포를 이용한 3D 세포 배양을 선택하여 보여주었다. 첫번째 연구는, 양이온의 경연성의 블록 폴리펩타이드와 음이온의 히아루론산 (HA) 사이의 이온 결합에 의한 특유한 생체모방형 나노 섬유 구조였다. 조직공학 응용에 HA의 영향을 보기 위해서, 폴리펩타이드 온도민감성 수화젤의 3D 매트릭스에 연골세포를 배양하였다. 세포의 증식과 관절연골 바이오마커의 발현은 HA가 없을때와 매트리젤과 비교하여 HA가 있을 때 보여졌다. 이 연구는 이온 결합을 통한 방향성을 가진 나노구조의 형성으로 나노생명공학기술의 중요성을 강조하고, 생명의학 응용의 가능성을 입증하였다. 두번째 연구는, 골수유래 줄기세포의 분화를 위한 PEG-L-PA 온도민감성 수화젤의 사용에 대해 보고하였다. 골수유래 줄기세포의 3D 배양 시스템은 온도 민감성 졸-젤 전이에 의해 37 oC에서 세포가 분산 되어 진 수용액의 온도를 증가시켜 준비하였다. 세포 증식, 세포 생존능력, 그리고 mRNA 발현을 in vitro에서 조사하였다. 세포 분산 용액은 BALB/c 쥐의 피하이식을 통해 in vivo 연구를 하였다. 이 연구는 BMMSCs/PEG-L-PA가 주사용의 조직공학 응용을 위한 유망한 시스템임을 제안하였다. 세번째 연구는 성장인자 방출과 세포로부터의 ECM에 의한 훌륭한 조직 형성을 유도하는 알맞은 환경을 창조하는 것이었다. 편도유래 줄기세포 (TMSCs) 의 지방형성, 골 형성, 그리고 연골 형성 분화를 in vitro와 in vivo에서 평가하였다. 이 실험들을 통해, PEG-PAF 온도민감성 수화젤이 연골 형성 분화를 유도하는데 적합한 물질임을 입증하였다. 이 논문은 인공 ECM 설계의 중요한 단서를 제공 할 뿐만 아니라, 온도민감성 폴리펩타이드 수화젤의 주사용 조직공학 응용으로써의 중요성을 입증하였다.