Microscale topographical cues regulate mesenchymal stem cell behaviors

Abstract

Objective: Stem cell behaviors and lineage commitments are driven by the mechanical properties of substrate. The designing of substrate topographic surface to regulate stem cell behaviors is an attractive method to enhance their therapeutic potential. The aim of this study was to evaluate the influence of substrate topographic surface on the human bone marrow mesenchymal stem cell (hBMSC) differentiation and to investigate the underlying mechanism. Methods: Synthetic polymers were fabricated into inserts that fit the standard 24-well tissue culture plate via injection molding. Three molds with different roughness surface were utilized to manufacture the inserts with different topographic surfaces. Polycarbonate (PC) inserts were selected for hBMSCs cultivation. The cell compatibility of PC was evaluated by comparing the behaviors of hBMSCs on PC, polystyrene (PS) and TCP surface. Then, hBMSCs were cultured on PC inserts with three kinds of topographic surfaces, and the osteogenic and adipogenic differentiation levels were tested. For the study of the underlying mechanism, the contractility of cells that cultured on different topographic surfaces was evaluated. After that, the influence of cell contractility on nuclear deformation, mechanosensory factor nuclear translocation and the composition of nuclear lamina as well as the global histone modification level were investigated. Furthermore, ChIP-PCR method was used to analyze the enrichment of modified histone located on specific gene promoters. For the evaluation of stem cells behaviors on 3D topographic scaffold, gelatin was used to fabricate 3D architectured gelatin based hydrogel, and the behaviors of human adipose derived mesenchymal stem cells on the gelatin based hydrogel were evaluated. Results: PC presented a high cell compatibility for the cultivation of hBMSCs. Appropriate surface topographical cues promoted cell contractility. The surface topographical cues mediated cell contraction force transmitted to nucleus via linker of nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) complex proteins, which resulted in the cell nuclear deformation, enhanced the mechanosensor protein YAP nuclear translocation and elevated lamin A/C expression. Furthermore, the mechanical force propagated to the chromatin and led to changing of histone modification level as well as regulated the enrichment of H3K27me3 and H3K9ac located on the osteogenic differentiation related gene promoters, subsequently, promoted hBMSC osteogenic differentiation. The 3D architectured gelatin based hydrogel presented high cell compatibility for hADSC cultivation and differentiation. Conclusion: Substrate physical properties play an important role in regulating stem cell behaviors. Appropriate surface topographical cues affect cell contractility. The surface topographical cues mediated cell contraction force results in nuclear deformation and influences chromatin status. Furthermore, the contraction force regulates the enrichment of modified histone located on the specific gene promoters, and then modulates stem cell behaviors and fate.

Ziel: Das Verhalten der Stammzellen und ihrer Herkunftsverpflichtungen werden von den mechanischen Eigenschaften des Substrates bestimmt. Die Gestaltung der topographischen Oberfläche des Substrats ist eine attraktive Methode, um ihr therapeutisches Potenzial zu erhöhen. Das Ziel dieser Studie war, den Einfluss der topographischen Oberfläche des Substrats auf die Differenzierung der menschliche Knochen-Mesenchym-Stammzelle (hBMSC) zu evaluieren und die zugrundeliegenden Mechanismen zu untersuchen. Methoden: Synthetische Polymere wurden als Einsätze präpariert, die durch Spritzgießen mit der Standard-Gewebekulturplatte mit 24 Vertiefungen zusammenpassen. Drei verschiedene topographische Marker wurden verwendet, um die Einsätze mit unterschiedlichen topographischen Oberflächen herzustellen. Für die Kultivierung der hBMSC wurden Polycarbonat (PC)- Einsätze ausgewählt. Die Zellkompatibilität von Polycarbonat wurde evaluiert, indem das Verhalten der hBMSC auf PC-, Polystyren- (PS-) und TCP-Oberflächen verglichen wurde. Daraufhin wurden hBMSC auf PC- Einsätze mit drei verschiedenen topographischen Oberflächen kultiviert und die osteogenen und adipogenen Differenzierungsstufen wurden getestet. Für das Studium der zugrundeliegenden Mechanismen wurde die Kontraktionsfähigkeit von Zellen evaluiert, die auf verschiedenen Oberflächen kultiviert wurden. Danach wurde der Einfluss der Zellkontraktionsfähigkeit auf Zellkern Deformation, Mechanosensor-Faktor Kerntranslokation und den Aufbau von nukleare Lamina untersucht, sowie auch auf das Niveau der globalen Histon-Modifikation. Darüber hinaus wurde die ChIP-PCR-Methode genutzt, um die Anreicherung von modifiziertem Histon auf spezifische Genpromotoren zu analysieren. Für die Evaluation des Stammzellenverhaltens auf Topographisches 3D Schafott wurde Gelatine zu einem gelatinebasierten Hydrogel mit 3D-Architektur verarbeitet, und das Verhalten von aus menschlichem Fett stammenden mesenchymalen Stammzellen auf dem auf Gelatine basierenden Hydrogel wurde bewertet. Ergebnisse: PC zeigte eine hohe Zellkompatibilität für die Kultivierung von hBMSC. Angemessene Oberflächentopographische Hinweise förderten die Zellkontraktionsfähigkeit. Die Oberflächentopographische Hinweise übermittelten die Zellkontraktionskraft, die über Linker von Nukleoskelett und Zytoskelett (LINC) komplexe Proteine auf den Kern übertragen wurde, was zur Zellkern Verformung, der Verbesserung der Kern Translokation des mechanosensorischen Proteins YAP sowie erhöhter lamin A / C Ausdruck führte. Darüber hinaus führte die mechanische Kraft, die sich zum Chromatin ausbreitete und zu einer Änderung des Histonmodifikationsgrades führte, sowie zur Regulierung der Anreicherung von H3K27me3 und H3K9ac, die sich auf den osteogenetischen Differenzierungs-Genpromotoren befanden, in der Folge zur Förderung der osteogenetischen hBMSC-Differenzierung. Das auf 3D-Gelatine basierende Hydrogel zeigte eine hohe Zellkompatibilität für die Kultivierung und Differenzierung von hADSC. Fazit: Die physikalischen Eigenschaften des Substrats spielen bei der Regulierung des Stammzellenverhaltens eine wichtige Rolle. Geeignete Oberflächen Topographische Hinweise beeinflussen die Kontraktionsfähigkeit der Zelle. Die durch den Oberflächen Topographische Hinweise übertragene Zellkontraktionskraft resultiert in der Deformation des Zellkerns und beeinflusst den Zustand des Chromatins. Darüber hinaus reguliert die Kontraktionskraft die Anreicherung modifizierter Histon auf den spezifischen Genpromotor und ändert damit Stammzellverhalten und Schicksal.