Differentiation of Tonsil derived Mesenchymal Stem Cells in Bioactive Thermogelling Systems

Abstract

온도가 증가함에 따라 졸-젤 전이를 보이는 온도 민감성 고분자는 조직 공학과 재생 의약 시스템으로 응용될 수 있다. 이러한 온도 민감성 고분자는 간단한 스캐폴드 제조법으로 수술을 하지 않아도 되는 임플란트 과정과 살아있는 조직 상태를 모사할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이 논문에서는 효과적인 조직 공학 응용을 위한 무기물이나 관능기가 도입된 바이오액티브 온도민감성 고분자를 살펴보았다. 첫번째 연구에서는, 주사가능한 칼슘 인산염 메조 결정체 (4 - 8 m)와 폴리펩타이드 온도 민감성 고분자의 무기/유기 복합 시스템이 편도 줄기세포 (TMSC)의 골화 분화를 촉진한다고 밝혔다. 나노 입자 (10 - 100 nm)나 순수 하이드로젤 시스템과 비교했을 때, 무기/유기 복합 시스템은 골 분화지표인 알칼리성 인산가수분해효소 (ALP), 뼈형성단백질2 (BMP2), 오스테오칼신 (OCN)이 mRNA와 단백질 레벨에서 높게 발현 되었다. 분화된 골세포의 ALP 활동도 역시 대조군과 비교하여 높은 수치를 보였다. 메조 복합체 시스템은 무기물에 의한 세포/단백질의 부착을 위한 단단한 표면뿐만 아니라, 하이드로젤에 의한 부드러운 세포 지지 매트릭스를 제공한다. 두번째 연구에서는, 락토비온산 (LB)로 컨주게이션된 온도 민감성 고분자를 이용하여 TMSC의 간 분화를 유도하였다. MatrigelTM과 2차원배양 시스템과 비교하였을 때, 간세포핵인자4 (HNF4 ), 알부민 (ALB), 글루코스-6-인산분해효소 (G6P)와 아시알로당단백질수용체1 (ASGR1)의 간 분화지표가 LB 컨주게이션 된 온도민감성 고분자 시스템에서 더 높은 것을 관찰하였다. ALB 합성, 요소 생성, 인도시아닌그린 흡수의 주요 간 기능 검사 역시 대조군 보다 갈락토실화 온도민감성 고분자에서 분화된 간세포가 더 효과적임을 관찰하였다. 이 연구에서는 무기/온도민감성 복합 시스템과 갈락토실화 온도민감성 고분자 시스템이 TMSC의 골과 간으로의 분화를 효과적으로 촉진함을 확인하였다. 이러한 바이오액티브 온도민감성 하이드로젤 시스템은 줄기세포 분화에 적합한 인공 ECM 설계의 중요한 단서를 제공할 뿐만 아니라, 주사용조직공학 응용으로써의 가능성을 입증하였다.;A thermogel system that undergoes a sol-to-gel transition as the temperature increses has been suggested as tissue engineering or regenerative medicine system. Due to its simple fabrication and non-surgical implanting procedure and mimic the 3D living organism conditions. In this thesis, bioactive thermogelling system including inorganic/thermogel, and functional group modified thermogel for more effective tissue engineering are investigated. First work, injectable inorganic/organic composite systems consisting of well-defined meso crystals (4 - 8 μm) of calcium phosphate and polypeptide thermogel significantly enhance the osteogenic differentiation of the tonsil derived mesenchymal stem cells (TMSCs). Compared to composite systems incorporating nano particles (10 -100 nm) or pure hydrogel systems, osteogenic biomarkers including alkaline phosphatase (ALP), bone morphogenetic protein 2 (BMP2), and osteocalcin (OCN) highly expressed at both the mRNA level and the protein level in the meso crystal composite systems. ALP activity of differentiated osteocytes, is also significantly higher in the meso composite systems compared to the nano composite systems or the pure hydrogel systems. The meso composite systems provides not only hard surfaces for binding the cells/proteins by the inorganic meso crystals but also a soft matrix for holding the cells by the hydrogel. Second work, galactosylated thermogel systems can induce the hepatogenic differentiation of the TMSCs. Compared to 3D MatrigelTM and 2D culture system, hepatogenic biomarkers involving hepatocyte nuclear factor 4 (HNF4 ), albumin (ALB), glucose 6-phosphatase (G6P), and asialoglycoprotein receptor 1 (ASGR1) highly expressed at both the mRNA level and the protein level in galactosylated thermogel. Hepatic functions of differentiatied hepatocytes including ALB synthesis, urea production, indocyanin green uptake, are also significantly higher in the galactosylated thermogel compared to control groups. Through the current research, the osteogenic and hepatogenic differentiation of TMSCs in vitro were investigated by bioactive thermogelling systems. It can be promised tissue engineering tools to create a suitable environment which induces the desired tissue formation. The thesis suggested that bioactive thermogelling systems not noly provide important clues in designing an artificial extracellular matrix for stem cell differentiation, but also proved the potential as an injectable tissue engineering applications.