PEGミクロスフェアとTGF-β3の存在下でのヒトMSC凝集体における軟骨細胞発現プロファイルの変化

生体材料微粒子は、一般的に成長因子送達車両として利用され、間葉系幹/間質細胞（MSC）の軟骨形成分化を誘導します。微粒子の存在自体がMSCの分化に影響を与える可能性があるかどうかに対処するために、3D共凝集システムが開発され、等量のヒト原発性骨髄由来MSCと非分解性RGD結合ポリ（エチレングリコール）マイクロスフェア（PEG-μs）が含まれています。TGF-β3の誘導に続いて、細胞表現型、遺伝子発現、タンパク質の局在化パターンの違いは、PEG-μsのないMSC凝集培養と比較した場合に発見されました。分化したMSC凝集培養で常に見られる外側の繊維層は、PEG-μsの存在下では形成されませんでした。II型コラーゲンタンパク質は両方の培養システムの細胞によって合成されましたが、長い（胚）プロコラーゲンアイソフォームのレベルの増加がMSC/PEG-μs凝集体で見つかりました。I型およびX型コラーゲンタンパク質のユビキタスな堆積は、MSC/PEG-μs培養で発見されましたが、これらのコラーゲンの発現パターンはMSC凝集体の特定の領域に制限されていました。これらの発見は、細胞希釈、変化因子の拡散、および/またはミクロスフェアとの細胞相互作用の影響により、PEG-μs環境でTGF-β3に対してMSCが異なって反応することを示しています。発現パターンのすべてがMSC/PEG-μs培養の改善された軟骨形成分化に向けられているわけではありませんが、薬物送達/足場戦略を設計する際には、微粒子自体の驚くほど大きな影響を考慮する必要があります。

Biomaterial microparticles are commonly utilized as growth factor delivery vehicles to induce chondrogenic differentiation of mesenchymal stem/stromal cells (MSCs). To address whether the presence of microparticles could themselves affect differentiation of MSCs, a 3D co-aggregate system was developed containing an equal volume of human primary bone marrow-derived MSCs and non-degradable RGD-conjugated poly(ethylene glycol) microspheres (PEG-μs). Following TGF-β3 induction, differences in cell phenotype, gene expression and protein localization patterns were found when compared to MSC aggregate cultures devoid of PEG-μs. An outer fibrous layer always found in differentiated MSC aggregate cultures was not formed in the presence of PEG-μs. Type II collagen protein was synthesized by cells in both culture systems, although increased levels of the long (embryonic) procollagen isoforms were found in MSC/PEG-μs aggregates. Ubiquitous deposition of type I and type X collagen proteins was found in MSC/PEG-μs cultures while the expression patterns of these collagens was restricted to specific areas in MSC aggregates. These findings show that MSCs respond differently to TGF-β3 when in a PEG-μs environment due to effects of cell dilution, altered growth factor diffusion and/or cellular interactions with the microspheres. Although not all of the expression patterns pointed toward improved chondrogenic differentiation in the MSC/PEG-μs cultures, the surprisingly large impact of the microparticles themselves should be considered when designing drug delivery/scaffold strategies.