The influence of graphene oxide on biological and functional properties of human mesenchymal stem cells in vitro

Terapie wykorzystujące komórki macierzyste (KM) stwarzają ogromne nadzieje w leczeniu wielu jednostek chorobowych, w tym chorób serca i układu krążenia. Jednym z obiecujących rodzajów KM, są mezenchymalne komórki macierzyste pozyskiwane z galarety Whartona sznura pępowinowego (ang. human Wharton’s jelly umbilical cord-derived mesenchymal stem/stromal cells; hUC-MSCs). W celu wydajnej regeneracji, obecnie inżynieria biomateriałowa stosuje wiele rodzajów rusztowań hodowlanych, które w łatwy sposób mogą wspomagać funkcje biologiczne KM, w tym indukować ich różnicowanie. Spośród dostępnych nanomateriałów, obiecującym okazał się być grafen oraz jego pochodne, w szczególności tlenek grafenu (z ang. graphene oxide, GO). Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu tlenku grafenu (GO) na właściwości biologiczne i funkcjonalne komórek hUC-MSCs w warunkach in vitro. W pierwszej kolejności oceniono biokompatybilność podłoży opartych o GO, o zróżnicowanej wielkości płatków grafenowych, otrzymywanych z zawiesin wodnych i etanolowych. W tym celu przeprowadzono analizę tempa proliferacji i żywotności komórek hUC-MSCs w warunkacj in vitro. Na podstawie otrzymanych wyników, wyselekcjonowano najbardziej biozgodne podłoża GO. Następnie oceniono fenotyp, oraz przebieg cyklu komórkowego komórek hUC-MSCs po hodowli na wybranych podłożach GO oraz ich adhezję do tych podłoży. Zbadano również zdolność GO do indukcji procesu różnicowania hUC-MSCs w kierunku kardiomiocytów oraz komórek śródbłonka naczyniowego in vitro. Z przeprowadzonych badań wynika, iż podłoża hodowlane oparte o małe płatki GO, mogą wykazywać właściwości cytotoksyczne w stosunku do hUC-MSCs. Natomiast, w przypadku dużych oraz bardzo dużych płatków GO (wielkości płatków odpowiednio: powyżej 10 µm z zawiesiny etanolowej oraz 100 µm z zawiesiny wodnej) stanowią one biozgodne rusztowanie do hodowli komórek hUC-MSCs in vitro. Nie wykazują bowiem wpływu na fenotyp oraz przebieg cyklu komórkowego hUC-MSC, natomiast wspomagają ich adhezję do podłoża hodowlanego. Co ciekawe, podłoża GO o dużych płatkach mogą promować różnicowanie hUC-MSCs w kierunku komórek tkanki serca, w tym kardiomiocytów oraz komórek śródbłonka naczyniowego w warunkach in vitro. Przeprowadzone badania wskazują, iż rusztowania oparte o GO stanowią obiecujący materiał wspomagający potencjał regeneracyjny hUC-MSCs, a w przyszłości mogą przyczynić się do opracowania nowych, skutecznych terapii stosowanych w regeneracji tkanki serca.

Stem cell-based therapy has emerged as a promising strategy for improving cardiac regeneration. In particular, human Wharton’s jelly umbilical cord-derived mesenchymal stem cells (hUC-MSCs) represent an interesting cell fraction for stem cell-based therapies. To improve therapeutic efficiency of hUC-MSCs, novel biomaterials are considered as scaffolds that are able to promote stem cell growth and differentiation. Among the various biomaterials, graphene and its derivatives, particularly graphene oxide (GO), have been increasingly explored. In this study, the impact of GO-based scaffolds on biological and functional properties of hUC-MSCs was investigated in vitro. Firstly, the biocompatibility of different size of GO flakes as well as different solvents of GO (water or ethanol) was evaluated. Based on the results of proliferation and viability tests in vitro, the most biocompatible substrates were selected. Next, the influence of GO substrate on hUC-MSCs phenotype, cell cycle activity and adhesion were also determined. Finally, the impact of GO scaffolds on the differentiation potential of hUC-MSCs towards cardiomyocytes and vascular endothelial cells was analysed in vitro. It was found that small flakes of GO could exhibit cytotoxic effect on hUC-MSCs. In contrast, GO scaffolds based on large and very large flakes (flakes’ size more than 10 µm dispersed in ethanol and 100 µm dispersed in water, respectively) do not affect cell proliferation and survival and may be utilized as suitable substrates for cell propagation in vitro. The results also revealed that these substrates do not impact on hUC-MSCs phenotype, cell cycle progression and strongly improve their adhesion. Furthermore, such GO-based scaffolds could promote cardiomyogenic and angiogenic differentiation capacity of hUC-MSCs in in vitro conditions.Thus, the study indicated that GO-based scaffolds represent promising materials supporting regenerative potential of hUC-MSCs. Moreover, they may contribute to development of new, effective therapeutic strategies for heart regeneration in the future.