Regulation of Chondrogenesis and Hypertrophy in Silk Fibroin-Gelatin-Based 3D Bioprinted Constructs

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作者
Shibu Chameettachal,Swati Midha,Sourabh Ghosh
出处
期刊:ACS Biomaterials Science & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:2 (9): 1450-1463 被引量:103
标识
DOI:10.1021/acsbiomaterials.6b00152
摘要

To date, the development of phenotypically stable, functionally equivalent engineered cartilage tissue constructs remains elusive. This study explored chondrogenic differentiation and suppression of hypertrophic differentiation in tyrosinase cross-linked silk-gelatin bioink using different cell modalities (dispersed, aggregates) for chondrocytes and mesenchymal progenitor cells (hMSCs) compared against the "gold standard" hMSC spheroids. Chondrogenic differentiation of hMSC spheroids (without silk-gelatin) showed a constant increase in hypertrophy over 21 days (gradual upregulated expression of COL10A1, MMP13). On the contrary, hMSC-laden constructs (both dispersed and aggregates) in bioink showed upregulated hypoxia (HIF1A) which positively regulated the expression of chondrogenic markers (aggrecan, COMP1) over chondrocyte-laden constructs. The gelatin component in the bioink induced MMP2 activity, which degraded the synthesized matrix, creating a pericellular zone for the accumulation of growth factors and newly synthesized matrices. We believe that the combinatorial effect of these accumulated factors as well as the hypoxia-regulated HDAC4 pathway played a pivotal role in stabilizing the chondrogenic phenotype of differentiated hMSCs along with suppressed hypertrophy. Therefore, the results suggest that tyrosinase cross-linked silk-gelatin bioink offers a suitable material composition for 3D bioprinting of cartilage constructs. Further standardization is warranted to investigate the biological mechanisms minimizing hypertrophic differentiation of hMSC/chondrocytes toward development of improved cartilage constructs.
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