Электрическая стимуляция запускает хондрогенез мезенхимальных стволовых клеток в отсутствие экзогенных факторов роста

Разработчики

Хьюк Чжун Квон, Гью Сеок Ли, Хонггу Чун и др.

Описание технологии

Электростимуляция (ЭС), как известно, способна управлять развитием и регенерацией многих тканей. Тем не менее, хотя доклинические и клинические исследования показали превосходные эффекты ЭС при восстановлении хрящей, воздействие ЭС на хондрогенез остается недостаточно ясным. Авторы данной технологии исследовали воздействие ЭС на хондрогенез мезенхимальных стволовых клеток (МСК), поскольку МСК имеют высокий терапевтический потенциал в регенерации хрящевой ткани.

При этом впервые было показано, что ЭС повышает уровни экспрессии таких хондрогенных маркеров, как коллаген II типа, аггрекан и Sox9, и уменьшает уровень коллагена I типа, тем самым индуцируя дифференцировку МСК в гиалиновые хондрогенные клетки без добавления экзогенного фактора роста. ЭС также индуцирует конденсацию МСК и последующий хондрогенез, управляемый за счет осцилляций Са2+/АТФ, которые, как известно, необходимы для прехондрогенной конденсации. В последующих экспериментах воздействия ЭС на осцилляции АТФ и хондрогенез зависели от внеклеточного сигнального воздействия АТФ с участием P2×4 рецепторов, и при этом ЭС индуцировала значительное увеличение экспрессии TGF-1 и BMP2. Однако, ингибирование сигнального воздействия TGF- блокировало конденсацию, индуцируемую ЭС, тогда как ингибирование сигнального пути BMP к этому не приводило, что указывает на тот факт, что именно TGF-β сигнальные воздействия, а не BMP сигнальный путь, опосредуют конденсацию, индуцируемую ЭС.

Эти результаты позволили разработать новую технологию для электростимуляционного хондрогенеза и восстановления повреждённых хрящей с использованием МСК. Технология может способствовать развитию различных электротерапевтических стратегий, применимых для восстановления плотных биотканей.

Практическое применение

Рассмотренная технология будет способствовать разработке новых стратегий электростимуляции с использованием мезенхимальных стволовых клеток для клеточной терапии и реабилитационного лечения с целью восстановления хряща. Она может применяться в регенеративной медицине, а также для проведения экспериментальных работ по созданию и исследованию хрящевой ткани in vitro, а также in vivo в моделях на животных. Принципы, лежащие в основе этой технологии, очень вероятно, будут полезны для применения в биоинженерии других тканей (костных, зубных, соединительных тканей и др.).

Лаборатории

• Department of Physical Therapy and Rehabilitation, College of Health Science, Eulji University, Gyeonggi (Republic of Korea)
• Department of Microbiology and Molecular Biology, College of Bioscience and Biotechnology, Chungnam National University, Daejeon (Republic of Korea)
• Department of Bio-convergence Engineering, Korea University, Seoul (Republic of Korea)

Ссылки

Публикации

• Kwon, HJ. et al. «Electrical stimulation drives chondrogenesis of mesenchymal stem cells in the absence of exogenous growth factors." 6 Scientific Reports, (2016): 39302.
• Kwon, H.J. et al. «Synchronized ATP oscillations have a critical role in prechondrogenic condensation during chondrogenesis." 3 Cell Death Dis, (2012): e278.
• Kwon, H.J. «TGF-β but not BMP signaling induces prechondrogenic condensation through ATP oscillations during chondrogenesis." 424 Biochem Biophys Res Commun, (2012): 793.
• Kwon, H.J. «Extracellular ATP signaling via P2X(4) receptor and cAMP/PKA signaling mediate ATP oscillations essential for prechondrogenic condensation." 214 J Endocrinol, (2012): 337.

Developers

Hyuck Joon Kwon, Gyu Seok Lee, Honggu Chun

Description of the technology

Electrical stimulation (ES) is known to guide the development and regeneration of many tissues. However, although preclinical and clinical studies have demonstrated superior effects of ES on cartilage repair, the effects of ES on chondrogenesis remain elusive. The authors of this technology investigated the actions of ES during chondrogenesis of MSCs, since mesenchyme stem cells (MSCs) have high therapeutic potential for cartilage regeneration.

Herewith, it was demonstrate for the first time that ES enhances expression levels of chondrogenic markers, such as type II collagen, aggrecan, and Sox9, and decreases type I collagen levels, thereby inducing differentiation of MSCs into hyaline chondrogenic cells without the addition of exogenous growth factors. ES also induced MSC condensation and subsequent chondrogenesis by driving Ca2+/ATP oscillations, which are known to be essential for prechondrogenic condensation. 

In subsequent experiments, the effects of ES on ATP oscillations and chondrogenesis were dependent on extracellular ATP signaling via P2×4 receptors, and ES induced significant increases in TGF-β1 and BMP2 expression. However, the inhibition of TGF-β signaling blocked ES-driven condensation, whereas the inhibition of BMP signaling did not, indicating that TGF-β signaling but not BMP signaling mediates ES-driven condensation.

These findings allowed to develop new technology for ES-driven chondrogenesis and impaired cartilage repair using MSCs. The technology may contribute to the development of various electrotherapeutic strategies, applicable for reparation of tight biotissues.

Practical application

The technology will facilitate the development of a novel ES-based strategies, using MSCs, for cell therapy and ES-based rehabilitation for cartilage repair. It can applicable for regenerative medicine and experimental works for production and study of cartilage tissues in vitro and in vivo on animal models. The principles, underlying this technology, are very likely to be valuable for application to bioengineering of other tissues (bone, dental, conjunctive tissues, etc).

Laboratories

• Department of Physical Therapy and Rehabilitation, College of Health Science, Eulji University, Gyeonggi (Republic of Korea)
• Department of Microbiology and Molecular Biology, College of Bioscience and Biotechnology, Chungnam National University, Daejeon (Republic of Korea)
• Department of Bio-convergence Engineering, Korea University, Seoul (Republic of Korea)

Links

Publications

• Kwon, HJ. et al. «Electrical stimulation drives chondrogenesis of mesenchymal stem cells in the absence of exogenous growth factors." 6 Scientific Reports, (2016): 39302.
• Kwon, H.J. et al. «Synchronized ATP oscillations have a critical role in prechondrogenic condensation during chondrogenesis." 3 Cell Death Dis, (2012): e278.
• Kwon, H.J. «TGF-β but not BMP signaling induces prechondrogenic condensation through ATP oscillations during chondrogenesis." 424 Biochem Biophys Res Commun, (2012): 793.
• Kwon, H.J. «Extracellular ATP signaling via P2X(4) receptor and cAMP/PKA signaling mediate ATP oscillations essential for prechondrogenic condensation." 214 J Endocrinol, (2012): 337.