Composite Gelatin methacryloyl hydrogels incorporating reactive oxygen species scavenging nanofibers for cell encapsulation in tissue engineering

Abstract

젤라틴 메타크릴레이트 하이드로겔은 높은 수분 함량을 가지며 우리 몸의 고유한 세포외기질과 비슷한 물성 및 다공성 구조를 가진다는 점에서 3차원으로 세포를 봉입화한 지지체로 널리 활용되어 왔다. 그러나 이는 자외선과 라디칼을 기반으로 한 광개시제를 기반으로 하여 라디칼 중합 반응을 통해 가교된 구조를 형성하는데 이 때, 소모되지 않은 잔여 라디칼로 인해 세포의 생존율이 점차적으로 감소하여 세포 내 산화 스트레스를 증가시켜 세포 사멸을 유도할 수 있다. 또한, 생존율 감소로 인해 하이드로겔 구조 내에서 세포의 확산이 제한될 수 있다는 단점이 존재한다. 따라서 이 논문에서는 안정적인 세포 전달체로서 하이드로겔을 제작하기 위해 내부에서 생성되는 라디칼과 활성산소종을 제거할 수 있는 항산화 기능을 갖는 에피갈로카테킨 갈레이트를 코팅한 나노섬유 기반 생체재료를 제작하였고, 이를 캡슐화 과정에 함께 참여시켜 캡슐화된 세포의 생존력 향상과 내부에 발생하는 산화 스트레스를 감소시켜 세포 사멸을 막을 수 있는 시스템을 구축하였다. 우리는 전기방사를 통하여 나노섬유 재료를 제작하고 그 위에 에피갈로카테킨 갈레이트 코팅을 통해 항산화 기능을 갖는 나노섬유 재료를 만들어 라디칼 제거 효능을 확인하였다. 그 후, 이 재료를 하이드로겔 가교 과정에 참여시켰고 그 내부에 지방유래 줄기 세포를 함께 봉입하여 3차원 배양이 가능한 지지체를 제작하였다. 그 후, 라디칼과 활성산소종 제거 효과를 통해 내부에 봉입된 세포의 생존율이 다른 실험군에 비하여 매우 높은 수준으로 유지되는 것을 확인하였고 세포 내 사멸과 산화 스트레스를 우회하는 유전자 발현이 나타나는 것을 통해 세포의 활성 유지에 긍정적 역할을 한다는 것을 증명할 수 있었다. 또한, 과산화수소를 이용해 외부 산화 스트레스에 노출시켰을 때에도 세포의 생존율이 크게 증가하는 것을 통해 항산화 기능을 갖는 나노섬유 재료의 첨가로 세포의 활성 정도에 기여할 수 있음을 증명하였다. 이러한 영향은 섬유 아세포 혹은 인간 제대 정맥 내피세포를 봉입하였을 때에도 유사하게 나타났다. 추가적으로, 이러한 소거능을 바탕으로 다른 실험군에 비해 세포의 확산을 효과적으로 유도할 수 있음을 확인하였다. 결론적으로 에피갈로카테킨 갈레이트가 코팅된 나노 섬유 재료의 융합이 젤라틴 메타크릴레이트 하이드로겔 세포 봉입 시 세포의 생존율 향상 및 활성 유지에 긍정적인 효과를 준다는 것을 증명하였다.|Gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels have been widely utilized for three-dimensional (3D) cell encapsulation because their properties are similar to native extracellular matrix (ECM) in terms of high-water contents, biocompatibility, stiffness, and porosity. However, cells within the GelMA hydrogels gradually decrease their viability so that apoptotic and intracellular ROS level of cells could be increased and limited their dynamic behaviors such as cell spreading because of initial UV irradiation and remaining radicals generated during gelation process. The epigallocatechin-3-gallate (EGCG) has been known to serve as a free radical scavenger and antioxidants. Thus, in this study, we prepared GelMA hydrogels incorporating EGCG-coated fibers (EF) for cell encapsulation and examined their effect on reduction of radical mediated cell damage and enhancement of the viability of the encapsulated cells. Firstly, nanofiber sheets prepared by electrospinning of poly(L-lactic acid) (PLLA) were cryosectioned to form the nanofibers with the length of 60 μm. The nanofibers were then coated with EGCG via Mg2+ ions in BIS-TRIS buffer forming the metal polyphenol network. The EF coated with EGCG showed radical inhibition effect as compared to control group. The EF was then incorporated within GelMA hydrogels with human adipose-derived stem cells (hADSCs) to confirm the radical scavenging effect of EF under gelation process including UV light and photo initiator which was react as free radicals. They showed improvement of cell viability, anti apoptotic and anti oxidative gene expression and decrease of intracellular ROS levels of encapsulated cells due to their ROS scavenging effect even if we treated the hydrogen peroxide. In addition, cell spreading and sprouting morphology were observed within EF incorporated GelMA hydrogels. Moreover, we could obtain similar cell protective effect of GelMA hydrogel by using different cell lines such as human dermal fibroblast (HDFBs) and human umbilical vein endothelial cells (HUVECs). Therefore, our results showed that the ROS scavenging composite hydrogels can have proficiency for cell encapsulation by protection of UV-mediated cell damages. We can expect this system can fortify the applications of cell encapsulation.