2D and 3D Hybrid Systems for Enhancement of Chondrogenic Differentiation of Tonsil-derived Mesenchymal Stem Cells

Abstract

2D/3D hybrid cell culture systems were constructed by increasing temperature to 37 oC of the thermogelling poly(ethylene glycol)-poly(L-alanine) diblock copolymer (PEG-L-PA) aqueous solution containing tonsil-tissue-derived mesenchymal stem cells (TMSCs) and graphene (G) or graphene oxide (GO). When the TMSCs were cultured on the two dimensional (2D) culture systems of G and GO by using the growth medium of high glucose Dulbecco’s modified eagle medium (DMEM), the cell exhibited a fibroblast-like morphology with little expression of the differentiation biomarkers such as osteocalcin (OCN), collagen type II (COL II), and peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARγ). On the other hand, the spherical cell morphology were observed in 2D/3D hybrid culture systems of G/PEG-L-PA and GO/PEG-L-PA by using the same growth medium of DMEM. The cell proliferations were 30-50 % higher in G/PEG-L-PA than GO/PEG-L-PA, whereas chondrogenic biomarker of COL II was highly observed in 2D/3D hybrid systems in proportional to the concentration of G or GO. When chondrogenic culture media enriched with TGF-β3 (10 ng/mL) was used in the 2D/3D hybrid systems, cells extensively aggregated, and chondrogenic biomarkers of SOX 9, COL II A1, COL II, and COL X were significantly increased. In particular, the COL II A1, COL II, and COL X increased about 10 times by GO/PEG-L-PA hybrid system, compared with PEG-L-PA system. This paper proved that 1) COL II and TGF-β3 synergistically contribute to the chondrogenesis of stem cells, 2) a 2D/3D hybrid culture system provides a very effective in controlling the stem cell differentiation, and 3) the surface properties of incorporated 2D materials play an important role in inducing specific biomarkers from the encapsulated cells. ;본 연구에서는 온도가 증가함에 따라 졸-젤 전이를 보이는 이중블록 공중합체인 폴리(에틸렌 글라이콜)-L-폴리 알라닌에 그래핀과 그래핀 옥사이드를 섞어 편도 유래 줄기 세포의 세포 배양 매트릭스로 사용하였다. 위 세포 배양 매트릭스는 이차원 삼차원 혼성 세포 배양 환경을 제공한다. 배양 배지 미디어 존재 하에 기존 이차원 세포 배양에서 편도 유래 줄기 세포는 섬유처럼 뻗어 나가는 모양으로 성장되고 연골, 지방, 뼈세포로 분화가 미미하다. 반면에 배양 배지 미디어 존재 하에 이차원 삼차원 혼성 세포 배양 매트릭스에서 편도 유래 줄기 세포는 시간이 지나도 둥근 모양을 유지한다. 세포 성장은 그래핀과 폴리(에틸렌 글라이콜)-L-폴리 알라닌 혼성 시스템이 그래핀 옥사이드와 폴리(에틸렌 글라이콜)-L-폴리 알라닌 혼성 시스템 보다 30-50 퍼센트 활발히 진행되었다. 하지만 연골세포 분화 지표인 콜라젠 타입2는 농도에 비례하여 그래핀과 폴리(에틸렌 글라이콜)-L-폴리 알라닌 혼성 시스템과 그래핀 옥사이드와 폴리(에틸렌 글라이콜)-L-폴리 알라닌 혼성 시스템 모두 발현양이 증가한다. 더 나아가 전환성장인자-베타가 포함된 연골세포 유도 배지 존재 하에 이차원 삼차원 혼성 세포 배양매트릭스에서 편도 유래 줄기 세포를 배양했을 때 줄기세포는 뭉치는 경향을 보였다. 특히 그래핀 옥사이드와 폴리(에틸렌 글라이콜)-L-폴리 알라닌 혼성 시스템에서 폴리(에틸렌 글라이콜)-L-폴리 알라닌 보다 연골세포 분자 지표인 콜라젠 타입2, 콜라젠 타입2-알파, 콜라젠 타입10이 10배 이상의 발현을 보였다. 이를 통해 1) 콜라젠 타입2와 전환성장인자-베타는 함께 상승효과를 보여 연골세포 분화의 유도를 촉진하다. 2)이차원 삼차원 혼성 배양 시스템은 줄기세포 분화 조절에 매우 효과적이다. 3) 혼성시스템 내의 이차원 물질의 표면적 성질은 내부의 줄기세포의 특정 방향 분화에 영향을 주는데 큰 역할을 한다. 는 사실을 입증 하였다.