Оценка действия мезенхимальных стромальных клеток из различных источников на пролиферацию хондроцитов человека

Цель: изучить влияние кондиционированной среды от мезенхимальных стромальных клеток (МСК) из различных источников на пролиферацию хондроцитов человека.

Материалы и методы. Для подтверждения функциональной активности хондроциты культивировали в составе клеточно-инженерной конструкции (КИК) хряща, включающей 5 × 10⁵ клеток и 5 мг тканеспецифического матрикса из децеллюляризованного хряща. Кондиционированную среду получали после культивирования МСК жировой ткани человека (ЖТч), пульпы молочного зуба и Вартонова студня пуповины в полной ростовой среде (ПРС). Для оценки влияния секретома МСК на пролиферацию хондроцитов кондиционированную среду, разбавленную в соотношении 1 : 1 с ПРС, вносили в лунки с хондроцитами. Влияние МСК на пролиферацию хондроцитов человека изучали при непрямом сокультивировании клеток в ПРС с использованием вставок Transwell. На дно нижней камеры наносили 5 × 10⁴ МСК, в верхнюю камеру помещали 5 × 10⁴ хондроцитов человека и 5 мг матрикса. Пролиферацию хондроцитов оценивали на 7-е и 14-е сутки путем количественного определения ДНК. В качестве маркера секреторной активности МСК в кондиционированной среде определяли содержание интерлейкина-6. Морфологию образцов исследовали с использованием гистологических методов окрашивания.

Результаты. Способность хондроцитов вырабатывать характерный для хряща внеклеточный матрикс была подтверждена при формировании КИК хряща с тканеспецифическим матриксом в хондрогенной дифференцировочной среде. При сравнении влияния кондиционированной среды от МСК из различных источников на рост хондроцитов человека in vitro наблюдалось повышение пролиферации во всех образцах в сравнении с контролем. Непрямое сокультивирование МСК с хондроцитами в составе КИК показало повышение количества ДНК во все образцах к 14-м суткам, при этом количество ДНК в образце с кондиционированной средой от МСК ЖТч значимо превышало контроль.

Заключение. Проведенные исследования по изучению влияния кондиционированной среды от МСК на пролиферацию хондроцитов в 2D-культуре указывают на возможный регенераторный потенциал МСК по восстановлению хрящевой ткани. В рамках данной работы мы не выявили достоверных различий в действии секретома МСК из различных источников на пролиферацию хондроцитов, однако в дальнейшем целесообразно проведение дополнительных исследований in vivo.

1. Каратеев АЕ, Лила АМ. Остеоартрит: современная клиническая концепция и некоторые перспективные терапевтические подходы. Научно-практическая ревматология. 2018; 56 (1): 70–81. doi: 10.14412/1995-4484-2018-70-81.

2. Hunter DJ, Bierma-Zeinstra S. Osteoarthritis. The Lancet. 2019; 393 (10182): 1745–1759. doi: 10.1016/s01406736(19)30417-9. PMID: 31034380.

3. Giorgino R, Albano D, Fusco S, Peretti GM, Mangiavini L, Messina C. Knee osteoarthritis: epidemiology, pathogenesis, and mesenchymal stem cells: what else is new? An Update. Int J Mol Sci. 2023; 24 (7): 6405. doi: 10.3390/ijms24076405. PMID: 37047377.

4. Hsueh MF, Önnerfjord P, Kraus VB. Biomarkers and proteomic analysis of osteoarthritis. Matrix Biol. 2014; 39: 56–66. doi: 10.1016/j.matbio.2014.08.012. PMID: 25179675.

5. Chow YY, Chin KY. The role of inflammation in the pathogenesis of osteoarthritis. Mediators Inflamm. 2020; 2020: 8293921. doi: 10.1155/2020/8293921. PMID: 32189997.

6. Aaron RK, Racine J, Dyke JP. Contribution of circulatory disturbances in subchondral bone to the pathophysiology of osteoarthritis. Curr Rheumatol Rep. 2017; 19 (8): 49. doi: 10.1007/s11926-017-0660-x. PMID: 28718064.

7. Sanchez C, Bay-Jensen AC, Pap T, Dvir-Ginzberg M, Quasnichka H, Barrett-Jolley R et al. Chondrocyte secretome: a source of novel insights and exploratory biomarkers of osteoarthritis. Osteoarthritis Cartilage. 2017; 25 (8): 1199–1209. doi: 10.1016/j.joca.2017.02.797. PMID: 28232143.

8. Севастьянов ВИ, Духина ГА, Григорьев АМ, Перова НВ, Кирсанова ЛА, Скалецкий НН и др. Функциональная эффективность биомедицинского клеточного продукта для регенерации суставного хряща (экспериментальная модель остеоартроза). Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2015; 17 (1): 86–96. doi: 10.15825/1995-1191-2015-1-86-96.

9. Shariatzadeh M, Song J, Wilson S. The efficacy of different sources of mesenchymal stem cells for the treatment of knee osteoarthritis. Cell Tissue Res. 2019; 378 (3): 399–410. doi: 10.1007/s00441-019-03069-9. PMID: 31309317.

10. Roos EM, Arden NK. Strategies for the prevention of knee osteoarthritis. Nature Reviews Rheumatology. 2015; 12 (2): 92–101. doi: 10.1038/nrrheum.2015.135. PMID: 26439406.

11. Урясьев ОМ, Заигрова НК. Остеоартрит: патогенез, диагностика, лечение. Земский врач. 2016; 1–2 (29– 30): 27–35.

12. Loo SJQ, Wong NK. Advantages and challenges of stem cell therapy for osteoarthritis (review). Biomed Rep. 2021; 15 (2): 67. doi: 10.3892/br.2021.1443. PMID: 34155451.

13. Murphy JM, Fink DJ, Hunziker EB, Barry FP. Stem cell therapy in a caprine model of osteoarthritis. Arthritis Rheum. 2003; 48 (12): 3464–3474. doi: 10.1002/art.11365. PMID: 14673997.

14. Garay-Mendoza D, Villarreal-Martínez L, Garza-Bedolla A, Pérez-Garza DM, Acosta-Olivo C, Vilchez-Cava zos F et al. The effect of intra-articular injection of autologous bone marrow stem cells on pain and knee function in patients with osteoarthritis. Int J Rheum Dis. 2018; 21 (1): 140–147. doi: 10.1111/1756-185X.13139. PMID: 28752679.

15. Desancé M, Contentin R, Bertoni L, Gomez-Leduc T, Branly T, Jacquet S et al. chondrogenic differentiation of defined equine mesenchymal stem cells derived from umbilical cord blood for use in cartilage repair therapy. Int J Mol Sci. 2018; 19 (2): 537. doi: 10.3390/ijms19020537. PMID: 29439436.

16. Галушко ЕА, Большакова ТЮ, Виноградова ИБ, Иванова ОН, Лесняк ОМ, Меньшикова ЛВ и др. Структура ревматических заболеваний среди взрослого населения России по данным эпидемиологического исследования (предварительные результаты). Научно-практическая ревматология. 2009; 47 (1): 11–17. doi: 10.14412/1995-4484-2009136.

17. De Bari C, Roelofs AJ. Stem cell-based therapeutic strategies for cartilage defects and osteoarthritis. Curr Opin Pharmacol. 2018; 40: 74–80. doi: 10.1016/j.coph.2018.03.009. PMID: 29625333.

18. Басок ЮБ, Григорьев АМ, Кирсанова ЛА, Кириллова АД, Суббот АМ, Цветкова АВ и др. Сравнительное исследование хондрогенеза мезенхимальных стромальных клеток жировой ткани человека при культивировании на коллагенсодержащих носителях в условиях in vitro. Вестник трансплантологии и искусственных органов. 2021; 23 (3): 90–100. doi: 10.15825/1995-1191-2021-3-90-100.

19. Gronthos S, Mankani M, Brahim J, Robey PG, Shi S. Postnatal human dental pulp stem cells (DPSCs) in vitro and in vivo. Proc Natl Acad Sci USA. 2000; 97 (25): 13625–13630. doi: 10.1073/pnas.240309797. PMID: 11087820.

20. Zhou C, Yang B, Tian Y, Jiao H, Zheng W, Wang J et al. Immunomodulatory effect of human umbilical cord Wharton’s jelly-derived mesenchymal stem cells on lymphocytes. Cell Immunol. 2011; 272 (1): 33–38. doi: 10.1016/j.cellimm.2011.09.010. PMID: 22004796.

21. Marmotti A, Mattia S, Castoldi F, Barbero A, Mangiavini L, Bonasia DE et al. Allogeneic umbilical cord-derived mesenchymal stem cells as a potential source for cartilage and bone regeneration: an in vitro study. Stem Cells Int. 2017; 2017: 1732094. doi: 10.1155/2017/1732094. PMID: 29358953.

22. Vizoso FJ, Eiro N, Cid S, Schneider J, Perez-Fernandez R. Mesenchymal stem cell secretome: toward cellfree therapeutic strategies in regenerative medicine. Int J Mol Sci. 2017; 18 (9): 1852. doi: 10.3390/ijms18091852. PMID: 28841158.

23. Parekkadan B, Milwid JM. Mesenchymal stem cells as therapeutics. Annu Rev Biomed Eng. 2010; 12: 87–117. doi: 10.1146/annurev-bioeng-070909-105309. PMID: 20415588.

24. Maguire G. Stem cell therapy without the cells. Commun Integr Biol. 2013; 6 (6): e26631. doi: 10.4161/cib.26631. PMID: 24567776.

25. Mancuso P, Raman S, Glynn A, Barry F, Murphy JM. Mesenchymal stem cell therapy for osteoarthritis: the critical role of the cell secretome. Front Bioeng Biotechnol. 2019; 7: 9. doi: 10.3389/fbioe.2019.00009. PMID: 30761298.

26. Gunawardena TNA, Rahman MT, Abdullah BJJ, Kasim NHA. Conditioned media derived from mesenchymal stem cell cultures: The next generation for regenerative medicine. J Tissue Eng Regen Med. 2019; 13 (4): 569–586. doi: 10.1002/term.2806. PMID: 30644175.

27. Tsvetkova AV, Vakhrushev IV, Basok YuB, Grigor’ev AM, Kirsanova LA, Lupatov AYu et al. Chondrogeneic potential of MSC from different sources in spheroid culture. Bull Exp Biol Med. 2021; 170 (4): 528–536. doi: 10.1007/s10517-021-05101-x. PMID: 33725253.

28. Sevastianov VI, Basok YuB, Grigoriev AM, Nemets EA, Kirillova AD, Kirsanova LA et al. Decellularization of cartilage microparticles: Effects of temperature, supercritical carbon dioxide and ultrasound on biochemical, mechanical, and biological properties. J Biomed Mater Res A. 2023; 111 (4): 543–555. doi: 10.1002/jbm.a.37474. PMID: 36478378.

29. Dominici M, Le Blanc K, Mueller I, Slaper-Cortenbach I, Marini F, Krause D et al. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy. 2006; 8 (4): 315–317. doi: 10.1080/14653240600855905. PMID: 16923606.

30. Rosochowicz MA, Lach MS, Richter M, Suchorska WM, Trzeciak T. Conditioned medium – is it an undervalued lab waste with the potential for osteoarthritis management? Stem Cell Rev Rep. 2023; 19 (5): 1185–1213. doi: 10.1007/s12015-023-10517-1. PMID: 36790694.

31. Gangadaran P, Oh EJ, Rajendran RL, Oh JM, Kim HM, Kwak S et al. Three-dimensional culture conditioned bone marrow MSC secretome accelerates wound healing in a burn injury mouse model. Biochem Biophys Res Commun. 2023; 673: 87–95. doi: 10.1016/j.bbrc.2023.05.088. PMID: 37364390.

32. Fan Y, Ye J, Shen F, Zhu Y, Yeghiazarians Y, Zhu W et al. Interleukin-6 stimulates circulating blood-derived endothelial progenitor cell angiogenesis in vitro. J Cereb Blood Flow Metab. 2008; 28 (1): 90–98. doi: 10.1038/sj.jcbfm.9600509. PMID: 17519976.

33. Wu KC, Chang YH, Liu HW, Ding DC. Transplanting human umbilical cord mesenchymal stem cells and hyaluronate hydrogel repairs cartilage of osteoarthritis in the minipig model. Tzu Chi Med J. 2019; 31 (1): 11–19. doi: 10.4103/tcmj.tcmj_87_18. PMID: 30692826.

34. Nowzari F, Zare M, Tanideh N, Meimandi-Parizi A, Kavousi S, Saneian SM et al. Comparing the healing properties of intra-articular injection of human dental pulp stem cells and cell-free-secretome on induced knee osteoarthritis in male rats. Tissue Cell. 2023; 82: 102055. doi: 10.1016/j.tice.2023.102055. PMID: 36948080.