Differentiation of Tonsil-derived Mesenchymal Stem Cells in Functionalized Microspheres Incorporated Polypeptide Thermogels

Abstract

Poly(ethylene glycol)-poly(L-alanine) diblock copolymer (PEG-L-PA) aqueous solution undergoes sol-to-gel transition as the temperature increases. By incorporating the polystyrene microspheres with different functional groups with a size of 100-700 m, the differentiation of tonsil-derived mesenchymal stem cells (T-MSCs) was investigated in a three dimensional cell culture matrix provided by the PEG-L-PA thermal gel. The Peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ), Type II collagen (COL II), and Osteocalcin (OCN) were selected as a biomarker of adipogenesis, chondrogenesis, and osteogenesis, respectively. The mRNA expression and immunohistochemical assay suggest that the T-MSCs preferentially undergo adipogenesis in the ammonium- and thiol-functionalized microspheres incorporated thermal gel; chondrogenesis in thiol-, phosphate-, and carboxylate -functionalized microspheres incorporated thermal gels; and osteogenesis in the phosphate- and carboxylate-functionalized microspheres as well as neat polystyrene microspheres incorporated thermal gels. This paper provides new application of the thermal gel as a sol-gel reversible 3D matrix of stem cell culture, and suggests that the surface functional groups of microspheres in the thermal gel can induce the preferential differentiation of stem cells during the 3D culture. ;이 논문에서는 온도가 증가함에 따라 졸-젤 전이를 보이는 이증블록 공중합체인 폴리(에틸렌 글라이콜)-L-폴리알라닌에 서로 다른 작용기가 붙은 폴리스티렌 마이크로스피어를 섞어 이를 세포 배양 매트릭스로 사용하였다. 마이크로스피어가 포함된 온도민감성고분자 수용액에 편도 유래 줄기 세포를 섞고 3차원 배양하며 줄기 세포의 생장과 분화에 관한 연구를 하였다. 분자량이 1000달톤인 폴리(에틸렌 글라이콜)과 N-카복시 무수 L-알라닌을 고리 열림 중합 반응을 이용하여 합성하고 합성된 고분자는 온도가 증가함에 따라 졸-젤 전이를 보였다. 본 연구에서 사용한 마이크로스피어는 100-700 마이크로미터의 크기를 가지고 서로 다른 4가지의 작용기를 가진 것과 작용기가 없는 마이크로스피어로 총 5종류이다. 제타 전위를 측정한 결과 마이크로스피어는 증류수 안에서 암모늄, 티올, 인산염 그리고 카르복시산염 형태를 가지고 있다. 서로 다른 종류의 마이크로스피어가 포함된 온도민감성고분자 수화젤에서 21일 동안 편도 유래 줄기 세포를 배양하였다. 수화젤 매트릭스 안에서 편도 유래 줄기 세포는 동그란 모양을 유지하다 가지가 뻗어나가는 형태로 변화하였다. 마이크로스피어가 포함된 수화젤에서 편도 유래 줄기 세포는 연골세포와 뼈세포로 분화가 가능한 것을 관찰할 수 있다. 특히 티올, 인산염 그리고 카르복시산염을 가진 마이크로스피어를 포함한 수화젤에서는 연골세포로의 분화가 관찰되었다. 인산염과 카르복시산염을 가진 마이크로스피어와 작용기가 없는 마이크로스피어를 포함한 수화젤에서는 뼈세포로의 분화가 관찰되었다.