Wpływ podłoży opartych o tlenek grafenu na potencjał chondrogenny ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych/ stromalnych pochodzących z pępowiny w warunkach in vitro

Terapia komórkowa jest jedną z obiecujących strategii w dziedzinie medycyny regeneracyjnej. Mezenchymalne komórki macierzyste/ stromalne (MSCs) uznaje się za optymalny typ komórek, które można zastosować w tym celu. W szczególności, wykazano, że ludzkie mezenchymalne komórki macierzyste pochodzące z galarety Whartona (hUC-MSCs) są ważnym rodzajem MSCs, ze względu na ich zdolność do różnicowania w różne komórki w warunkach in vitro oraz in vivo (w tym chondrocyty, adipocyty, osteocyty), wysoki potencjał proliferacyjny i właściwości immunomodulujące, które można wykorzystać w regeneracji tkanek. Dodatkowo, istnieje nowe podejście łączące terapię komórkową z biomateriałami, które poprawiają skuteczność terapeutyczną różnych rodzajów komórek macierzystych. Grafen i jego pochodne, zwłaszcza tlenek grafenu (GO), są coraz częściej badane jako skuteczny materiał przeznaczony do zastosowań biomedycznych. Wykorzystuje się także połączenie biomateriałów z różnego rodzaju nanocząstkami w celu uzyskania większej wydajności w inżynierii tkankowej, ze względu na ich niskie właściwości immunomodulacyjne i zdolność do przenoszenia sygnałów elektrycznych.W niniejszej pracy przedstawiono wyniki badań, w których sprawdzano wpływ natywnego tlenku grafenu (GO) i GO zmodyfikowanego nanocząstkami złota z dwóch źródeł (określanych jako Origin_1 oraz Origin_2), na wzrost i chondrogenezę komórek hUC-MSCs in vitro. W pierwszej kolejności oceniona została biozgodność materiałów opartych na GO za pomocą analizy morfologicznej oraz oceny apoptozy i żywotności komórek. Ponadto, przeanalizowano wpływ materiałów opartych na GO na ekspresję genów związanych z chondrogenezą w warunkach in vitro.Komórki hUC-MSCs hodowane na GO zmodyfikowanym nanocząstkami złota pochodzącymi ze źródła Origin_2, zmieniały swoją morfologię i tworzyły skupiska, co było związane z procesem chondrogenezy i skorelowane z dodatnim wynikiem barwienia błękitem Alcian, co wskazuje na obecność proteoglikanów w dniach 3 i 14 różnicowania. Analiza ekspresji genów komórkek hodowanych na materiałach opartych o tlenek grafenu (GO) wykazały 6 razy wyższą ekspresję genów związanych z chondrogenezą (COL2A1) począwszy od dnia 7 oraz 6 razy wyższą ekspresję genów związanych z osteogenezą (RUNX2 i BGLAP) od dnia 3 różnicowania.Przeprowadzone analizy wykazują, że materiały oparte na GO mogą mieć wpływ na potencjał proregeneracyjny komórek hUC-MSCs stymulując ich właściwości chondrogenne, co czyni je obiecującym narzędziem w celu opracowania nowych, przyszłych strategii terapeutycznych dla naprawy chrząstki. Konieczne są dalsze badania w celu potwierdzenia tej hipotezy.

Cell-based therapy represents one of the promising strategy in the field of regenerative medicine. Mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) have been considered as an optimal cell type, that may be used in such application. In particular, human Wharton`s jelly umbilical cord-derived mesenchymal stem/stromal cells (hUC-MSCs) have been shown to be an important type of MSCs due to their ability to differentiate into variety of cells in vitro and in vivo (including chondrocytes, adipocytes, osteocytes), high proliferation potential and immunomodulatory properties, that may be utilized in tissue repair and regeneration. A novel approach has emerged combining cell-based therapy with a biomaterials improving therapeutic efficiency of stem cells of various types. Graphene and its derivatives, particularly graphene oxide (GO), have been increasingly explored as an effective material dedicated for potential biomedical application. Recently, combining biomaterials with various nanoparticles have emerged for higher efficiency in tissue engineering due to their low immunomodulatory properties and their ability to transport electrical signals. In this study, the impact of native GO and GO modified with gold nanoparticles from two sources (marked as Origin_1 and Origin_2), on the growth and chondrogenic differentiation of hUC-MSC was investigated in vitro. Firstly, the biocompatibility assessment of GO-based materials was evaluated by morphological analysis and apoptosis assay on hUC-MSCs in vitro. Furthermore, the impact of GO-based materials on gene expression during chondrogenesis of hUC-MSCs was analyzed in in vitro conditions. hUC-MSCs cultured on GO modified with gold nanoparticles from Origin_2 displayed cell aggregation associated with the morphology of cells going through chondrogenesis with positive Alcian blue staining indicating presence of proteoglycans starting from day 3 and on day 14. By further gene expression analysis, the cells cultured on GO-based materials showed 6 times higher gene expression associated with chondrogenesis (COL2A1; starting from day 7) and osteogenesis (RUNX2 and BGLAP; starting from day 3), respectively.Thus, the performed analysis indicated that GO-based materials may provide an impact on pro-regenerative potential of hUC-MSCs by enhancing their chondrogenic differentiation potential and making them a promising tool for development of novel therapeutic strategies for cartilage regeneration in the future. Further studies are required to confirm this hypothesis.