In order to enhance the repair of defects in articular cartilage via cell therapy with autologous chondrocytes, as well as with periosteum-derived progenitor cells (PDPCs), silkworm hemolymph (SH) and a variety of cartilage-specific extracellular matrices (ECMs) including type II collagen, proline, chondroitin 4-sulfate, and chondroitin 6-sulfate were assessed with regard to their efficacy as media supplements. SH, a known anti-apoptotic agent, was found to enhance cell growth, as was shown by the results of a 3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay. According to the results of reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR) analyses, the cartilage-specific ECMs were found to stimulate the expression of hyaline cartilage-specific genes, most notably type II collagen and Sox9, in monolayer cultures of PDPCs.
Periosteum-derived progenitor cells (PDPCs) were isolated using a fluorescence-activated cell sorter and their chondrogenic potential in biomaterials was investigated for the treatment of defective articular cartilage as a cell therapy. The chondrogenesis of PDPCs was conducted in a thermoreversible gelation polymer (TGP), which is a block copolymer composed of temperature-responsive polymer blocks such as poly(N-isopropylacrylamide) and of hydrophilic polymer blocks such as polyethylene oxide, and a defined medium that contained transforming growth $factor-{\beta}3\;(TGF-{\beta}3)$. The PDPCs exhibited chondrogenic potential when cultured in TGP. As the PDPCs-TGP is an acceptable biocompatible complex appropriate for injection into humans, this product might be readily applied to minimize invasion in a defected knee.
Purpose: The periosteum is a well-known source of osteogenic precursor cells for tissue-engineered bone formation. However, cultured endothelial or endothelial-like cells derived from periosteum have not yet been investigated. This study focused on endothelial-like cell culture from the periosteum. Methods: Periosteal tissues were harvested from the mandible during surgical extraction of lower impacted third molars. The tissues were treated with 0.075% type I collagenase in phosphate-buffered saline (PBS) for 1 hr at $37^{\circ}C$ to release cellular fractions. The collagenase was inactivated with an equal volume of DMEM/10% fetal bovine serum (FBS) and the infranatant was centrifuged for 10 min at 2,400 rpm. The cellular pellet was filtered through a $100{\mu}m$ nylon cell strainer, and the filtered cells were centrifuged for 10 min at 2,400 rpm. The resuspended cells were plated into T25 flasks and cultured in endothelial cell basal medium (EBM)-2. Results: Among the hematopoietic markers, CD146 was more highly expressed than CD31 and CD34. The periosteal-derived cells also expressed CD90 and CD166, mesenchymal stem cell markers. Considering that the expression of CD146 was constant and that the expression of CD90 was lower at passage 5, respectively, the CD146 positive cells in passage 5 were isolated using the magnetic cell sorting (MACS) system. These CD146 sorted, periosteal-derived cells formed tube-like structures on Matrigel. The uptake of acetylated, low-density lipoprotein, labeled with 1,1'-dioctadecyl-3,3,3',3'-tetramethylindocarbocyanine perchlorate (DiI-Ac-LDL) was also examined in these cells. Conclusion: These results suggest that the CD146-sorted positive cells can be referred to as periosteal-derived CD146 positive endothelial-like cells. In particular, when a co-culture system with endothelial and osteoblastic cells in a three-dimensional scaffold is used, the use of periosteum as a single cell source would be strongly beneficial for bone tissue engineering.
Periosteum and periosteum-derived progenitor cells have demonstrated the potential for stimulative applications in repairs of various musculoskeletal tissues. It has been found that the periosteum contains mesenchymal progenitor cells capable of differentiating into either osteoblasts or chondrocytes depending on the culture conditions. Anatomically, the periosteum is a heterogeneous multi-layered membrane, consisting of an inner cambium and an outer fibrous layer. The present study was designed to elucidate the cellular phenotypic characteristics of cambium and fibrous layer cells in vitro, and to assess whether structural integrity of the tendon in the bone tunnel can be improved by periosteal augmentation of the tendonbone interface. It was found the cells from each layer showed distinct phenotypic characteristics in a primary monolayer culture system. Specifically, the cambium cells demonstrated higher osteogenic characteristics (higher alkaline phosphatase and osteocalcin levels), as compared to the fibrous cells. Also in vivo animal model showed that a periosteal augmentation of a tendon graft could enhance the structural integrity of the tendon-bone interface, when the periosteum is placed between the tendon and bone interface with the cambium layer facing toward the bone. These findings suggest that extra care needs to be taken in order to identify and maintain the intrinsic phenotypes of the heterogeneous cell types within the periosteum. This will improve our understanding of periosteum in applications for musculoskeletal tissue repairs and tissue engineering.
During distraction osteogenesis, the angiogenic activity is crucial factor in the new bone formation. The aim of this study was to detect the autocrine growth activity in the cellular components of the distracted periosteum with observation of the expression of vascular endothelial growth factor (VEGF) and its receptors following the mandibular distraction osteogenesis. Unilateral mandibular distraction (0.5 mm twice per day for 10 days) was performed in six mongrel dogs. Two animals were sacrificed at 7, 14, and 28 days after completion of distraction, respectively. The distracted lingual periosteum was harvested and processed for immunohistochemical examinations. After then, we observed the expression of VEGF, Flt-1 (VEGFR-1), and Flk-1 (VEGFR-2) in the osteoblasts and immature mesenchymal cells of the distracted periosteum. At 7 days after distraction, the expression of VEGF and its receptors were significantly increased in the cellular components of the distracted periosteum. Up to 14 days following distraction, the increased expressions were maintained in the osteoblastic cells. At 28 days after distraction, the expression of VEGF and its receptors decreased, but VEGF was still expressed weak or moderate in the osteoblastic cells of distracted periosteum. The expression pattern of VEGF and its receptors shown here suggested that VEGF play an important role in the osteogenesis, and these osteoblastic cell-derived VEGF might act as autocrine growth factor during distraction osteogenesis. In the other word, the cellular components in the distracted periosteum, such as osteoblasts and immature mesenchymal cells, might have autocrine growth activity during distraction osteogenesis.
다능성 세포를 포함하는 골막은 골모세포와 연골세포로 분화될 수 있다. 그리고 배양된 골막유래세포는 골형성 능력을 가지고 있다. 이 연구의 목적은 골막유래 세포들과 골이식재 간의 상호작용을 평가하는 것이다. Sprague-Dawley 랫드의 두개골 골막에서 세포를 분리한 다음, 배양된 골막유래세포를 beta-tricalcium phosphate (${\beta}$-TCP)와 함께 임계결손부 크기의 두개결손부에 이식하였다. 모든 랫드는 골이식 수술 후 8주째에 희생되었으며, 골이식부의 골형성 능력은 일반방사선, micro CT 및 조직검사를 통해 평가되었다. ${\beta}$-TCP와 함께 이식된 골막유래세포는 골결손부에서 더욱 증가된 석회화작용을 나타내었으며, 골결손부 안쪽 및 가장자리에 골밀도 증가와 신생골이 형성되었다. 특히 골막유래세포는 ${\beta}$-TCP만 단독으로 이식하였을때보다 함께 이식 시 효과적으로 신생골을 형성하였다. 이러한 결과는 배양된 골막유래세포가 골결손부에서 골형성을 증진시킬 수 있는 가능성을 보였다.
본 실험에서는 골막조직 내에 존재하는 PDPCs를 분리하고, 기존 피부 이식을 위해 사용되는 $Hyalrograft^{\circledR}$ 3D에서의 chondogenesis가 가능함을 확인하였다. 수적인 확보가 제한되는 연골세포의 대체 세포로서 PDPCs의 가능성을 확인하였으며 동시에 $Hyalrograft^{\circledR}$ 3D에서의 연골화는 지지체의 양적 확보에 있어 기존의 $Hyalograft^{\circledR}$ C 보다 경제적일 수 있음을 의미한다.
Two-dimensional cultivation is typically used for cell growth, but the method reduces the characteristics of chondrocytes and stem cells, and limits culture area. Therefore, development of three-dimensional culture method is needed to mimic in vivo environment, improve quality of cells and scale-up efficiently. Improving proliferation and chondrogenesis is available by co-culture of chondrocytes and mesenchymal stem cells (MSCs) that leads to interaction between two kinds of cells. However, the co-culture has problems that permeability of sphere diminishes as aggregate size increased and ratio of two kinds of cells composing each spheres is different. In this work, co-cultivation method using controlled sphere composed of chondrocytes and MSCs was established and enhanced chondrogenesis. Periosteum-derived progenitor cells (PDPCs) that are appropriate for cell therapy source of articular cartilage were used as MSCs. Controlled spheres were formed in the hanging-drop plates and shifted for being induced chondrogenesis in 35-mm non-adhesive culture dishes at a rotation rate of 60 rpm. After inducing chondrogenesis, gene expressions related with chondrogenesis were found to be improved and it was apparent that the utilization of controlled spheres promoted chondrogenesis. As a result, available numbers of cells per unit area were increased and chondrogenic differentiation ability was improved compared to typical two-dimensional culture. This approach shows the potential in cartilage regeneration as it can provide sufficient numbers of chondrocytes.
Angiogenesis is a essential part for bone formation and bone fracture healing. Vascular endothelial growth factor (VEGF), one of the most important molecules among many angiogenic factors, is a specific mitogen for vascular endothelial cells. VEGF-mediated angiogenesis is required for bone formation and repair. However, the effect of VEGF on osteoblastic cells during osteogenesis is still controversial. In recent days, substantial progress have been made toward developing tissue-engineered alternatives to autologous bone grafting for maxillofacial bony defects. Periosteum has received considerable interest as a better source of adult stem cells. Periosteum has the advantage of easy harvest and contains various cell types and progenitor cells that are able to differentiate into a several mesenchymal lineages, including bone. Several studies have reported the bone formation potential of periosteal cells, however, the correlation between VEGF signaling and cultured human periosteal cell-derived osteogenesis has not been fully investigated yet. The purpose of this study was to examine the correlation between VEGF signaling and cultured human periosteal-derived cells osteogenesis. Periosteal tissues of $5\;{\times}\;20\;mm$ were obtained from mandible during surgical extraction of lower impacted third molar from 3 patients. Periosteal-derived cells were introduced into the cell culture and were subcultured once they reached confluence. After passage 3, the periosteal-derived cells were further cultured for 42 days in an osteogenic inductive culture medium containing dexamethasone, ascorbic acid, and ${\beta}-glycerophosphate$. We evaluated the alkaline phosphatase (ALP) activity, the expression of Runx2 and VEGF, alizarin red S staining, and the quantification of osteocalcin and VEGF secretion in the periosteal-derived cells. The ALP activity increased rapidly up to day 14, followed by decrease in activity to day 35. Runx2 was expressed strongly at day 7, followed by decreased expression at day 14, and its expression was not observed thereafter. Both VEGF 165 and VEGF 121 were expressed strongly at day 35 and 42 of culture, particularly during the later stages of differentiation. Alizarin red S-positive nodules were first observed on day 14 and then increased in number during the entire culture period. Osteocalcin and VEGF were first detected in the culture medium on day 14, and their levels increased thereafter in a time-dependent manner. These results suggest that VEGF secretion from cultured human periosteal-derived cells increases along with mineralization process of the extracellular matrix. The level of VEGF secretion from periosteal-derived cells might depend on the extent of osteoblastic differentiation.
최근 들어 급속한 고령화 사회가 진행되고 있으며 이로 인해 골관절염과 골다공증 등의 퇴행성 골질환 환자수도 동반하여 증가하고 있다. 따라서 고령화에 따른 골관련 질환의 새로운 제어와 치료법 개발을 위해 성체줄기세포의 골세포 분화유도를 활용한 재생의학도 활발히 연구되고 있다. 또한 관련 연구에서 줄기세포의 분화과정에서 미토콘드리아의 산화적인산화가 중요하다고 알려지고 있다. 흥미롭게도 최근 연구에서 아스피린의 주성분인 salicylate가 동물세포의 미토콘드리아 생합성을 증진시키는 효과가 보고되었다. 그러나 성체줄기세포에서 salicylate가 골세포분화나 미토콘드리아 생합성을 유도할 수 있는지에 대한 연구결과는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 인체 골막 유래의 성체줄기세포를 이용하여 골세포분화나 미토콘드리아 생합성에 대한 salicylate의 영향을 분석하였다. 골막 유래 성체줄기세포의 골세포 분화유도 과정에 동반한 salicylate 처리는 잘 알려진 골세포분화 표지자인 alkaline phosphatase의 활성을 증가시키는 결과를 본 연구에서 얻었다. 이러한 연구결과는 salicylate가 줄기세포로부터 골세포로의 분화를 조절할 수 있는 물질이 될 수 있음을 제시한다. 또한 이러한 골세포 분화과정에서 미토콘드리아 생합성도 salicylate 처리에 의해 증가됨이 관찰되었다. 따라서, 미토콘드리아 생합성이나 기능을 조절하는 물질이 성체줄기세포의 골세포 분화과정에도 영향을 줄 수 있으며, 이러한 물질이 골세포분화나 재생의학의 새로운 조절 물질로 응용될 수 있음을 제시한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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