Cyclodextrin Incorporated Thermogels for Controlling Differentiation of Tonsil-Derived Mesenchymal Stem Cells

Abstract

Poly(ethylene glycol)-poly(L-alanine) (PEG-PA) is a temperature sensitive polymer, the aqueous solution of which undergoes a sol-gel transition in the concentration range of 3.0-5.0 wt.%. We introduced α-cyclodextrin (α-CD) derivatives into the PEG-PA thermogel in order to apply functional groups that could affect stem cell differentiation by specific pathways. After incorporating α-CD, α-CD carboxylate and α-CD phosphate into PEG-PA aqueous solution (referred to as P, PCC and PCP, respectively), we first examined the solution behaviors and gel properties of each sample at both low and high concentrations. Then, we performed 3D cell culture study of TMSCs for 21 days to determine chondrogenic and osteogenic differentiation effects of each sample. The mRNA expression and immunofluorescence results exhibited an increase of COL II and SOX 9, the chondrogenic biomarkers, in the samples with α-CD carboxylate, suggesting that chondrogenesis was induced in this system. On the other hand, increase of OCN, the osteogenic biomarker, in the samples with α-CD carboxylate and phosphate suggests that osteogenesis was induced in these systems. This study suggests that α-CD derivatives can induce stem cells to preferentially differentiate into specific cell type. Therefore, PEG-PA thermogel system incorporated with α-CD derivatives is a promising material in biomedical applications, such as injection tissue engineering and regenerative medicine.;폴리(에틸렌 글리콜)-폴리(L-알라닌)은 온도 감응성 고분자로서 3.0-5.0 중량 %의 농도 범위의 수용액에서 졸-겔 전이가 일어난다. 이 써모겔 고분자에 특정 방향의 줄기 세포 분화를 유도한다고 알려진 작용기를 도입하기 위해, 알파-사이클로덱스트린의 유도체를 포함하는 초분자 시스템을 제조했다. 저온 상태의 폴리(에틸렌 글리콜)-폴리(L-알라닌) 용액에 같은 당량의 알파-사이클로덱스트린, 알파-사이클로덱스트린 카르복실레이트 및 알파-사이클로덱스트린 포스페이트를 섞은 후, 먼저 저농도 및 고농도에서 용액 거동 및 겔 특성을 조사했다. 고분자의 고유 특성에 기초하여 3차원 환경에서 21일간 편도-유래 중간엽 줄기세포를 배양하여 연골 및 골 분화 양상을 분석했다. mRNA 및 단백질 수준에서 분화 양상을 알아본 결과, 알파-사이클로덱스트린 카르복실레이트를 지닌 시스템에서 연골 생체 지표인 COL II 및 SOX 9가 증가했다. 또한, 알파-사이클로덱스트린 카르복실레이트 및 알파-사이클로덱스트린 포스페이트 기를 지닌 두 시스템에서 골 생체 지표인 OCN이 증가했다. 이 연구는 알파-사이클로덱스트린 유도체가 줄기 세포가 특정 세포로 우선적으로 분화하도록 유도할 수 있으며, 이 써모겔 시스템은 주사 조직 공학 및 재생 의학에서 유망한 생체 물질임을 시사한다.