Collagen hydrogel viscoelasticity regulates MSC chondrogenesis in a ROCK-dependent manner

软骨发生 间充质干细胞 细胞骨架 自愈水凝胶 细胞生物学 粘弹性 基质(化学分析) 化学 材料科学 生物物理学 细胞 生物 生物化学 复合材料 色谱法 有机化学
作者
Danyang Huang,Yuehong Li,Zihan Ma,Hai Lin,Xiangdong Zhu,Yun Xiao,Qian Zhang
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:9 (6) 被引量:48
标识
DOI:10.1126/sciadv.ade9497
摘要

Mesenchymal stem cell (MSC) chondrogenesis in three-dimensional (3D) culture involves dynamic changes in cytoskeleton architecture during mesenchymal condensation before morphogenesis. However, the mechanism linking dynamic mechanical properties of matrix to cytoskeletal changes during chondrogenesis remains unclear. Here, we investigated how viscoelasticity, a time-dependent mechanical property of collagen hydrogel, coordinates MSC cytoskeleton changes at different stages of chondrogenesis. The viscoelasticity of collagen hydrogel was modulated by controlling the gelling process without chemical cross-linking. In slower-relaxing hydrogels, although a disordered cortical actin promoted early chondrogenic differentiation, persistent myosin hyperactivation resulted in Rho-associated kinase (ROCK)-dependent apoptosis. Meanwhile, faster-relaxing hydrogels promoted cell-matrix interactions and eventually facilitated long-term chondrogenesis with mitigated myosin hyperactivation and cell apoptosis, similar to the effect of ROCK inhibitors. The current work not only reveals how matrix viscoelasticity coordinates MSC chondrogenesis and survival in a ROCK-dependent manner but also highlights viscoelasticity as a design parameter for biomaterials for chondrogenic 3D culture.
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