インターロイキン-1βで前処理し、骨形成成長因子-3で刺激されたヒト間葉系幹細胞-3軟骨形成を促進する

腰痛は、人口の80％以上を苦しめている西洋諸国で最も一般的な病気の1つであり、主な原因は椎間板の変性であると考えられています。インターロイキン-1β（IL-1β）は、変性した椎間板環境に存在する重要な炎症性サイトカインですが、骨の形態形成成長因子-3（BMP-3）は、形質転換成長因子ベータ（TGF-β）経路を通じて軟骨形成を促進すると考えられています。。目的は、特にPuramatrix™ヒドロゲル（PHG）にカプセル化されたヒト間葉系幹細胞（HMSC）に対するBMP-3、IL-1β、および併用（IL-1βとの前処理）の効果を研究することでした。28日間にわたるHMSCの増殖と分化能力を調査するために。HMSCの細胞懸濁液の100マイクロリットルは、100μlのヒドロゲルの2層の間にカプセル化され、サンドイッチのような構造を形成しました。カプセル化されたHMSCは、BMP-3（10 ng/ml）およびIL-1β（10 ng/ml）の追加とともに、軟骨形成（C）および非軟骨形成（NC）培地の2セットで培養されました。BMP-3とIL-1βの複合効果を研究するために、カプセル化されたHMSCを最初に24時間IL-1βを含む関連媒体で前処理し、その後、残りの実験期間中、培地をBMP-3を含む培地に置き換えました。IL-1β前処理は、CとNCの両方の培地で実施されました。サンプルは7日目、14日、28日目に収集されました。すべてのサンプルでHMSCの増殖と分化が軟骨細胞様細胞に観察されました。プロテオグリカンの蓄積は、C媒体の前処理サンプルで観察されました。それぞれSOX-9とCol2A1のタンパク質と遺伝子発現は、すべてのサンプルで軟骨形成の発生を示しました。このin vitroモデルでは、TGF-βの非存在下でBMP-3のみがHMSCを軟骨形成性系統に駆動できることを確認するこのin vitroモデルで、高い細胞生存率、増殖、および分化が達成されました。IL-1βでの前処理に続いてBMP-3刺激が続くと、成長因子またはサイトカイン単独の刺激と比較して、高プロテオグリカンの蓄積が生じました。これは、炎症性サイトカインを軟骨形成性系統に駆り立てる前の前処理がin vivoでも重要である可能性があることを示唆しています。

Low back pain is one of the most common ailments in western countries afflicting more than 80% of the population, and the main cause is considered to be degeneration of intervertebral discs. Interleukin-1β (IL-1β) is a vital inflammatory cytokine found in abundance in degenerated disc environment, whereas bone morphogenetic growth factor-3 (BMP-3) is believed to promote chondrogenesis through transforming growth factor-beta (TGF-β) pathway. The aim was to study the effects of BMP-3, IL-1β, and combination (pretreatment with IL-1β) on human mesenchymal stem cells (hMSCs) encapsulated in PuraMatrix™ hydrogel (Phg) especially in the absence of TGF-β in order to investigate the proliferation and differentiation ability of hMSCs over 28-day period. One hundred microliters of hMSCs' cell suspension was encapsulated between two layers of 100 μL hydrogels forming a sandwich-like structure. The encapsulated hMSCs were cultured in two sets of media, chondrogenic (C) and nonchondrogenic (nC) media, along with addition of BMP-3 (10 ng/mL) and IL-1β (10 ng/mL). To study the combined effects of BMP-3 and IL-1β, the encapsulated hMSCs were first pretreated with relevant media containing IL-1β for 24 h, and then the media was replaced by media containing BMP-3 for the remaining experimental time period. IL-1β pretreatment was carried out in both C and nC media. The samples were collected at day 7, 14, and 28. Proliferation and differentiation of hMSCs into chondrocyte-like cells were observed in all samples. Proteoglycan accumulation was observed in pretreatment samples in C media. The protein and gene expression of Sox-9 and COL2A1, respectively, showed the occurrence of chondrogenesis in all samples. High cell viability, proliferation, and differentiation were achieved in this in vitro model confirming that BMP-3 alone in the absence of TGF-β could drive hMSCs into chondrogenic lineage. Pretreatment with IL-1β followed by BMP-3 stimulation resulted in high proteoglycan accumulation compared to stimulation with growth factors or cytokine alone. This suggests that pretreatment with a pro-inflammatory cytokine before driving them into a chondrogenic lineage might be of importance also in vivo.