Cyclodextrin-based supramolecular hydrogels for tonsil derived mesenchymal stem cells 3D culture

Abstract

We are suggesting a sustained release system of bioactive component for stem cell differentiation by using an inclusion complex of α-cyclodextrin (α-CD) and thermogelling poly(ethylene glycol)-poly(L-alanine) (PEG-PA) aqueous solution. First, we use tonsil-derived mesenchymal stem cells (TMSCs) to confirm the enhanced osteocalcin and myogenic differentiation factor 1 expression by adding α-CD in a concentration of 0.25-0.5 wt.% in the traditional 2D culture system. Second, formation of slightly turbid suspension and appearance of X-ray diffraction pattern peak at 2?=20o indicate the inclusion complex between α-CD and PEG-PA in this concentration range. Third, the 3D culture systems of PC0.00, PC0.25, PC0.50 for TMSCs were constructed by using sol-to-gel transition of α-CD/PEG-PA system where the concentration of α-CD varied 0.00 (control), 0.25, and 0.5 wt.%, respectively. The expression typical biomarkers of osteogenesis, chondrogenesis, and myogenesis were investigated for OCN, COL II, and MYOD 1, respectively. Compared to PC0.00 system, the biomarkers at both mRNA and protein levels significantly increased for OCN and COL II in the PC0.50 system, whereas for MYOD 1 in the PC0.25 system. Through the current research, 1) a dynamic inclusion complex system of α-CD and PEG-PA is developed, 2) the inclusion complex system are proved to be a promising tool in controlling stem cell differentiation. This research emphasizes the significance of drug delivery concept in stem cell differentiation.;이차원 배양에서 알파-사이클로 덱스트린이 편도 유래 줄기 세포를 뼈, 근육으로 분화를 유도한다. 또한 알파-사이클로 덱스트린이 폴리(에틸렌 글라이콜)과 포접 화합물을 형성하는 특징을 가지고 있다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 폴리(에틸렌 글라이콜)-L-폴리 알라닌과 알파-사이클로 덱스트린 포접 화합물을 메트릭스로 편도 유래 줄기 세포를 배양하여 성장 및 분화를 관찰하였다. 폴리(에틸렌 글라이콜)-L-폴리 알라닌은 분자량이 1000달톤인 폴리(에틸렌 글라이콜)과 N-카복시 무수-L-알라닌을 고리 열림 중합 반응으로 합성하였고, 이렇게 합성된 이중블록 공중합체는 온도가 증가함에 따라 졸-젤 변이가 나타난다. 알파-사이클로 덱스트린과 폴리(에틸렌 글라이콜) 혼합물은 X선회절로 분석하였을 때 2?=20=20 o에서 피크가 나타 나고, 약간 뿌연 서스펜션을 형성하는 것을 보아 포접 화합물이 형성되는 것을 알 수 있다. 이렇게 형성된 포접 화합물은, 폴리(에틸렌 글라이콜)의 분자량이 1000달톤으로 작아 알파-사이클로 덱스트린이 쉽게 끼어들어가고 빠져나올 수 있다. 따라서 알파-사이클로 덱스트린과 폴리(에틸렌 글라이콜)으로 구성된 포접 화합물을 수용액에 녹여 만든 수화젤에서 알파-사이클로 덱스트린은 천천히 분비될 수 있다. 이 수화젤에서 21일 동안 편도 유래 줄기세포를 키웠을 때, 알파-사이클로 덱스트린의 농도에 따라 근육, 뼈, 연골로 분화가 관찰되었다. 이 연구는 알파-사이클로 덱스트린의 분비를 간단한 알파-사이클로 덱스트린과 폴리(에틸렌 글라이콜)으로 구성된 포접 화합물을 통해 만들 수 있으며, 이렇게 분비된 알파-사이클로 덱스트린은 줄기 세포의 분화에 영향을 준다는 것을 규명하였다.