Bone morphogenetic protein-2 delivery using poly(lactide-co-glycolic acid)/hydroxyapatite composite scaffolds for bone tissue engineering

Abstract

수많은 연구에서 제대혈 중간엽 줄기 세포가 뼈분화력을 가지며 골재생을 위해 유용할 것이라 밝혔다. 이 연구에서 우리는 뼈세포로 분화시키지 않은 제대혈 중간엽 줄기 세포를 생분해성 고분자와 하이드록시아파타이트로 만든 합성지지체에 로딩된 골형성 단백질과 함께 이식한다면 In vivo 골형성이 더 잘 될 것이라는 가설을 검증하였다. 우리는 뼈분화 유도물질이면서 골형성 단백질 전달체로 사용되어 왔던 하이드록시아파타이트가 많이 노출된 생분해성 합성지지체를 만들었다. In vivo 골형성을 연구하기 위해 무흉선 마우스의 등쪽 피하에 지지체만을 이식한 그룹(그룹 1), 골형성 단백질이 로딩된 지지체를 이식한 그룹(그룹 2), 미분화 제대혈 세포와 지지체를 이식한 그룹(그룹 3), 미분화 제대혈 세포와 골형성 단백질이 로딩된 지지체를 이식한 그룹(그룹 4), 뼈세포로 분화시킨 제대혈 세포와 지지체를 이식한 그룹(그룹 5)으로 나눴다. 골형성은 RT-PCR, 소프트 X-선, 조직학에 의해 분석되었다. 이식 8 주 후에, 그룹 4 는 그룹 2,3,5 보다 많은 골형성을 보였다. RT-PCR 분석에서는 그룹 4 에서 인간 특이적 뼈분화 마커들이 다른 그룹에 비해 많이 발현되었다. 호스트 세포의 뼈분화 마커들 또한 그룹 4 에서 많이 발현하였다. 따라서, 이 연구는 이식된 부위에 전달되는 골형성 단백질이 이식전 뼈세포로 분화하지 않은 인간 제대혈 줄기 세포가 상승적인 골재생을 하도록 한다는 것을 증명하였다.; A number of studies have shown that cord blood mesenchymal stem cells (CBMSCs) had osteogenic potential and would be useful for bone regeneration. Here, we tested the hypothesis that combined implantation of osteogenically undifferentiated CBMSCs and bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) loaded a biodegradable poly(lactic-co-glycolic acid)/hydroxyapatite (PLGA/HA) composite scaffold would extensively enhance bone formation in vivo. We fabricated a PLGA/HA composite scaffold that highly exposed osteoactive HA which has been used as BMPs carrier. To study in vivo bone formation, PLGA/HA scaffolds (group 1), BMP-2-loaded PLGA/HA scaffolds (group 2), undifferentiated CBMSCs seeded on PLGA/HA scaffolds (group 3), undifferentiated CBMSCs seeded on BMP-2-loaded PLGA/HA scaffolds (group 4) and osteogenically differentiated CBMSCs seeded on PLGA/HA scaffolds (group 5) were implanted into dorsal, subcutaneous spaces of athymic mice. Bone formation was assessed by RT-PCR, soft X-ray and histological analysis. Eight weeks after transplantation into dorsal, subcutaneous spaces of athymic mice, group 4 induced more extensive bone formation area and developed higher calcification than group 2, 3 and 5. In RT-PCR analysis, expression of human-specific osteoblastic markers such as ALP and osteocalcin (OC) mRNA in gourp 4 was dectected higher than the other groups. Osteoblastic markers of host cells also expressed in group 4 more than the other groups. Therefore, this study demonstrated that human CBMSCs that were not differentiated osteogenically in vitro prior to transplantation would synergistically regenerate bone in vivo when exogenous BMP-2 is delivered to the transplantation site.