Lim, Erh-Hsuin;Sardinha, Jose Paulo;Myers, Simon;Stevens, Molly
Archives of Plastic Surgery
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제40권6호
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pp.676-686
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2013
Background To overcome the potential drawbacks of a short half-life and dose-related adverse effects of using active transforming growth factor-beta 1 for cartilage engineering, a cell-mediated latent growth factor activation strategy was developed incorporating latent transforming growth factor-${\beta}$1 (LTGF) into an electrospun poly(L-lactide) scaffold. Methods The electrospun scaffold was surface modified with NH3 plasma and biofunctionalised with LTGF to produce both random and orientated biofunctionalised electrospun scaffolds. Scaffold surface chemical analysis and growth factor bioavailability assays were performed. In vitro biocompatibility and human nasal chondrocyte gene expression with these biofunctionalised electrospun scaffold templates were assessed. In vivo chondrogenic activity and chondrocyte gene expression were evaluated in athymic rats. Results Chemical analysis demonstrated that LTGF anchored to the scaffolds was available for enzymatic, chemical and cell activation. The biofunctionalised scaffolds were non-toxic. Gene expression suggested chondrocyte re-differentiation after 14 days in culture. By 6 weeks, the implanted biofunctionalised scaffolds had induced highly passaged chondrocytes to re-express Col2A1 and produce type II collagen. Conclusions We have demonstrated a proof of concept for cell-mediated activation of anchored growth factors using a novel biofunctionalised scaffold in cartilage engineering. This presents a platform for development of protein delivery systems and for tissue engineering.
BACKGROUND: Cartilage tissue engineering (CTE) aims to obtain a structure mimicking native cartilage tissue through the combination of relevant cells, three-dimensional scaffolds, and extraneous signals. Implantation of 'matured' constructs is thus expected to provide solution for treating large injury of articular cartilage. Type I collagen is widely used as scaffolds for CTE products undergoing clinical trial, owing to its ubiquitous biocompatibility and vast clinical approval. However, the long-term performance of pure type I collagen scaffolds would suffer from its limited chondrogenic capacity and inferior mechanical properties. This paper aims to provide insights necessary for advancing type I collagen scaffolds in the CTE applications. METHODS: Initially, the interactions of type I/II collagen with CTE-relevant cells [i.e., articular chondrocytes (ACs) and mesenchymal stem cells (MSCs)] are discussed. Next, the physical features and chemical composition of the scaffolds crucial to support chondrogenic activities of AC and MSC are highlighted. Attempts to optimize the collagen scaffolds by blending with natural/synthetic polymers are described. Hybrid strategy in which collagen and structural polymers are combined in non-blending manner is detailed. RESULTS: Type I collagen is sufficient to support cellular activities of ACs and MSCs; however it shows limited chondrogenic performance than type II collagen. Nonetheless, type I collagen is the clinically feasible option since type II collagen shows arthritogenic potency. Physical features of scaffolds such as internal structure, pore size, stiffness, etc. are shown to be crucial in influencing the differentiation fate and secreting extracellular matrixes from ACs and MSCs. Collagen can be blended with native or synthetic polymer to improve the mechanical and bioactivities of final composites. However, the versatility of blending strategy is limited due to denaturation of type I collagen at harsh processing condition. Hybrid strategy is successful in maximizing bioactivity of collagen scaffolds and mechanical robustness of structural polymer. CONCLUSION: Considering the previous improvements of physical and compositional properties of collagen scaffolds and recent manufacturing developments of structural polymer, it is concluded that hybrid strategy is a promising approach to advance further collagen-based scaffolds in CTE.
퇴행성관절염(Osteoarthritis,OA)은 관절 부위의 퇴행성 변화가 특징이며, 이를 진단하기 위해서는 연골세포나 활액에서 유래된 표지인자가 일반적으로 사용된다. 이번 연구에서는 개를 이용하여 실험적으로 퇴행성관절염을 유도하고, 활액과 연골세포에서 단백질 분해 효소인 matrix metalloproteinase(MMPs)와 MMPs의 활성을 억제시키는 것으로 알려진 tissue inhibitors of metalloproteinases(TIMPs)의 발현 정도를 조사하였다. 20마리의 비글견이 퇴행성관절염 모델로 사용되었으며 MMP-2 와 -9은 Western blot 분석에 의해서, TIMP-2의 농도는 ELISA(enzyme-linked immunosorbent assays)에 의해 결정하였다. 퇴행성관절염 유도 4주 후에 연골에서 분리한 연골세포에서 MMP-2의 발현은 증가되었지만 MMP-9의 발현은 감소되었다. 그러나, 퇴행성관절염을 유도한 개의 활액에서는 MMP-2와 -9의 발현이 모두 증가하는 것을 보였다. TIMP-2의 농도는 퇴행성관절염을 유도한 연골에서 분리한 연골세포에서는 높았지만, 활액에서는 낮은 농도를 보였다. 이러한 결과는 MMP-9가 퇴행성관절염 시 연골 조직의 변성에 따른 연골세포의 손상에 의해 MMP-2보다 더 활액으로 방출된다는 것을 보여주며, 활액 내 TIMP-2의 감소에 따른 MMPs의 활성이 퇴행성관절염을 더욱 악화시키는 것을 제안해준다. 결국 MMPs의 활성은, 특히 MMP-9, 개의 퇴행성관절염의 조기 진단과 치료를 위한 표지인자로서 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
Osteoarthritis (OA), one of the most common skeletal disorders characterized by cartilage degradation and osteophyte formation in joints, is induced by accumulated mechanical stress; however, little is known about the underlying molecular mechanism. Several experimental OA models in mice by producing instability in the knee joints have been developed to apply approaches from mouse genetics. Although proteinases like matrix metalloproteinases and aggrecanases have now been proven to be the principal initiators of OA progression, clinical trials of proteinase inhibitors have not been successful for the treatment, turning the interest of researchers to the upstream signals of proteinase induction. These signals include undegraded and fragmented matrix proteins like type II collagen or fibronection that affects chondrocytes through distinct receptors. Another signal is proinflammatory factors that are produced by chondrocytes and synovial cells; however, recent studies that used mouse OA models in knockout mice did not support that these factors have a role in the central contribution to OA development. Our mouse genetic approaches found that the induction of a transcriptional activator Runx2 in chondrocytes under mechanical stress contributes to the pathogenesis of OA through chondrocyte hypertrophy. In addition, chondrocyte apoptosis has recently been identified as being involved in OA progression. We hereby propose that these endochondral ossification signals may be important for the OA progression, suggesting that the related molecules can clinically be therapeutic targets of this disease.
Conventional methods for fabricating three-dimensional (3-D) scaffolds have substantial limitations. In this paper, we present 3-D scaffolds that can be made repeatedly with the same dimensions using a microstereolithography system. This system allows the fabrication of a pre-designed internal structure, such as pore size and porosity, by stacking photopolymerized materials. The scaffolds must be manufactured in a material that is biocompatible and biodegradable. In this regard, we synthesized liquid photocurable biodegradable TMC/TMP, followed by acrylation at terminal ends. And also, solidification properties of TMC/TMP polymer are to be obtained through experiments. Cell adhesion to scaffolds significantly affects tissue regeneration. As a typical example, we seeded chondrocytes on two types of 3-D scaffold and compared the adhesion results. Based on these results, the scaffold geometry is one of the most important factors in chondrocyte adhesion. These 3-D scaffolds could be key factors for studying cell behavior in complex environments and eventually lead to the optimum design of scaffolds for the regeneration of various tissues, such as cartilage and bone.
By-products of marine organisms including salmon, skate, flatfish, and yellow goosefish were investigated to search for new source of chondroitin sulfate (CS). Agarose gel electrophoresis with chondroitinase depolymerization showed that purified chondroitin sulfate did not contain any other glycosaminoglycans. 1H-nuclear magnetic resonance (NMR) spectra were acquired to confirm the structure and purity. The average molecular weight ranging from 22 to 64 kDa was determined by high performance size exclusion chromatography. Disaccharide compositions and purities were determined by strong anion exchange-high performance liquid chromatography (SAX-HPLC) after chondroitinase ABC depolymerization. SAX-HPLC data exhibited that the purity was from $81.7{\pm}1.3$ to $114.2{\pm}2.5%$ and the yield was from 1.3 to 12.5%. All analytical results indicate that salmon cartilage, skate cartilage, and yellow goosefish bone could be promising sources of CS to substitute shark cartilage CS in commercial neutraceuticals.
Jo, Jin-Ho;Do, Jeong-Ryong;Kim, Young-Moung;Kim, Dong-Soo;Lee, Taek-Kyun;Kim, Seon-Bong;Cho, Seung-Mock;Kang, Suk-Nam;Park, Douck-Choun
Food Science and Biotechnology
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제14권5호
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pp.651-655
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2005
Enzymatic hydrolysis of shark (Squatina oculata) cartilage (SC) was optimized by response surface methodology (RSM) for chondroitin sulfate (CS) preparation. Among 11 commercial proteases, Maxazyme NNP showed highest productivity (CS yield per enzyme cost) of CS. Optimal hydrolysis conditions determined by RSM were 1.63% and 2.87 hr for enzyme concentration and hydrolysis time ($r^2\;=\;0.9527$, p<0.0l), respectively and highest yield of hydrolysate under the conditions was 42.3%. The yield ($43.1{\pm}2.1%$) and CS content ($24.8{\pm}0.1%$) of hydrolysate at optimal condition verified statistical optimization of SC enzymatic hydrolysis was valid.
Numerous efforts are being made to develop an ideal dermal filler that should be bio-compatibility, non-immunogenicity, long-lasting and biodegradable without a toxic secretion. Biomaterials of dermal fillers are hyaluronic acid filler, calcium filler, PMMA filler and collagen filler depending on the ingredient. Although hyaluronic acid (HA) is most widely used, it has shortages such as short shelf life and low mechanical strength compare to extracellular matrix (ECM). The cartilage ECM composed of collagen type II, proteoglycans, glycosaminoglycans (GAGs) and in a minor part with glycoproteins. In this study, we developed a cartilage ECM injectable filler capable of improving biocompatibility and longevity compared with hyaluronic acid (HA) fillers. The ECM hydrogel was cross-linked by the reaction of N-(3-Dimethylaminopropyl)-N'-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC)/N-hydroxysuccinimide (NHS) for mechanical enhancement. Prepared ECM filler was compared with cross-linked HA by butanediol diglycidyle ether (BDDE), which is the most widely used natural polymers for dermal filler. In the results, the articular cartilage ECM hydrogel has great potential as a dermal filler to improve the biophysical and biological performance.
For the purpose of reuse the wasted by-products from the skate process to the health functional food or medicinal material, chondroitin sulfate was extracted from the skate cartilage with the method of hydrolysis with protease enzyme, and the contents of chondroitin sulfate and hydrolyzed protein were measured qualitatively and quantitatively. The effects of chondroitin sulfate on body weight or liver weight changes, hepatotoxicity elimination and anti-inflammatory actions were measured from in vivo test with feed-treated mice. From the hydrolytic extraction of skate cartilage with the mixture of 1% alcalase and 1% protease for 4 hours, the extraction yield of chondroitin sulfate was about 32.55%. The content and molecular weight of chondroitin sulfate was 26.63% and $2.85{\times}10^5Da$., respectively and the content ratio of chondroitin sulfate to protein was measured to 1 to 2.76 with gel permeation chromatography. For the odor component, trimethylamine decreased about 30% but almost not ammonia from chondroitin sulfate with the treatment of activated carbon. From the feeding chondroitin sulfate to mice, the control effect of body and liver weights decrease was measured, anti-inflammatory action and hepatotoxicity elimination action were also measured. From these results, process operation conditions for manufacturing of chondroitin sulfate were suggested.
Arthritis may be broadly classified as degenerative - related to defects in cartilage and other joint constituents, often age-associated - or inflammatory disease. Inflammatory arthritis called as rheumatoid arthritis (RA) is a chronic inflammatory arthropathy and characterized by a destructive arthritis. RA encompasses infectious arthritis, arthritis caused by intra-articular deposits of crystalline material (gout), syndromes associated with genetic defects (familial Mediterranean fever), and the immune-mediated inflammatory arthropathy. Degenerative arthritis called as osteoarthritis (OA), which is most frequently occurring, causes degenerative figures of knee, waist and knuckle, and accompanies severe pain around the cartilage. Also, it may cause morning stiffness, gelling effect, tenderness, bone swelling, crepitus, and motion disorders.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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