Culture of rat mesenchymal stem cells on PHBV-PCL scaffolds: analysis of conditioned culture medium by FT Raman spectroscopy / Cultivo de células-tronco mesenquimais de rato sobre arcabouços de PHBV-PCL: análise do meio de cultura condicionado por espectroscopia de FT-Raman

Mesenchymal stem cells (MSCs) have great potential for application in cell therapy and tissue engineering procedures because of their plasticity and capacity to differentiate into different cell types. Given the widespread use of MSCs, it is necessary to better understand some properties related to osteogenic differentiation, particularly those linked to biomaterials used in tissue engineering. The aim of this study was to develop an analysis method using FT-Raman spectroscopy for the identification and quantification of biochemical components present in conditioned culture media derived from MSCs with or without induction of osteogenic differentiation. All experiments were performed between passages 3 and 5. For this analysis, MSCs were cultured on scaffolds composed of bioresorbable poly(hydroxybutyrate co-hydroxyvalerate) (PHBV) and poly(ε-caprolactone) (PCL) polymers. MSCs (GIBCO®) were inoculated onto the pure polymers and 75:25 PHBV/PCL blend (dense and porous samples). The plate itself was used as control. The cells were maintained in DMEM (with low glucose) containing GlutaMAX® and 10% FBS at 37ºC with 5% CO2 for 21 days. The conditioned culture media were collected and analyzed to probe for functional groups, as well as possible molecular variations associated with cell differentiation and metabolism. The method permitted to identify functional groups of specific molecules in the conditioned medium such as cholesterol, phosphatidylinositol, triglycerides, beta-subunit polypeptides, amide regions and hydrogen bonds of proteins, in addition to DNA expression. In the present study, FT-Raman spectroscopy exhibited limited resolution since different molecules can express similar or even the same stretching vibrations, a fact that makes analysis difficult. There were no variations in the readings between the samples studied. In conclusion, FT-Raman spectroscopy did not meet expectations under the conditions studied.

As células-tronco mesenquimais (MSCs) possuem grande potencial para aplicação em procedimentos terapêuticos ligados a terapia celular e engenharia de tecidos, considerando-se a plasticidade e capacidade de formação em diferentes tipos celulares por elas. Dada a abrangência no emprego das MSCs, há necessidade de se compreender melhor algumas propriedades relacionadas à diferenciação osteogênica, particularmente liga à biomateriais usados em engenharia de tecidos. Este projeto objetiva o desenvolvimento de uma metodologia de análise empregando-se a FT-Raman para identificação e quantificação de componentes bioquímicos presentes em meios de cultura condicionados por MSCs, com ou sem indução à diferenciação osteogênica. Todos os experimentos foram realizados entre as passagens 3 e 5. Para essas análises, as MSCs foram cultivadas sobre arcabouços de polímeros biorreabsorvíveis de poli (hidroxibutirato-co-hidroxivalerato) (PHBV) e o poli (ε-caprolactona) (PCL). As MSCs (GIBCO®) foram inoculadas nos polímeros puros e na mistura 75:25 de PHBV / PCL (amostras densas e porosas). As células foram mantidas em DMEM (com baixa glicose) contendo GlutaMAX® e 10% de SFB a 37oC com 5% de CO2 por 21 dias. A própria placa foi usada como controle. Os meios de cultura condicionados foram coletados e analisadas em FT-Raman para sondagem de grupos funcionais, bem como possíveis variações moleculares associadas com a diferenciação e metabolismo celular. Foi possível discernir grupos funcionais de moléculas específicas no meio condicionado, como colesterol, fosfatidilinositol, triglicerídeos, forma Beta de polipeptídeos, regiões de amida e ligações de hidrogênio de proteínas, além da expressão de DNA. Na presente avaliação, a FT-Raman apresentou como uma técnica de resolução limitada, uma vez que modos vibracionais de estiramento próximos ou mesmo iguais podem ser expressos por moléculas diferente, dificultando a [...].

Culture of rat mesenchymal stem cells on PHBV-PCL scaffolds: analysis of conditioned culture medium by FT-Raman spectroscopy

Abstract Mesenchymal stem cells (MSCs) have great potential for application in cell therapy and tissue engineering procedures because of their plasticity and capacity to differentiate into different cell types. Given the widespread use of MSCs, it is necessary to better understand some properties related to osteogenic differentiation, particularly those linked to biomaterials used in tissue engineering. The aim of this study was to develop an analysis method using FT-Raman spectroscopy for the identification and quantification of biochemical components present in conditioned culture media derived from MSCs with or without induction of osteogenic differentiation. All experiments were performed between passages 3 and 5. For this analysis, MSCs were cultured on scaffolds composed of bioresorbable poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV) and poly(-caprolactone) (PCL) polymers. MSCs (GIBCO®) were inoculated onto the pure polymers and 75:25 PHBV/PCL blend (dense and porous samples). The plate itself was used as control. The cells were maintained in DMEM (with low glucose) containing GlutaMAX® and 10% FBS at 37oC with 5% CO2 for 21 days. The conditioned culture media were collected and analyzed to probe for functional groups, as well as possible molecular variations associated with cell differentiation and metabolism. The method permitted to identify functional groups of specific molecules in the conditioned medium such as cholesterol, phosphatidylinositol, triglycerides, beta-subunit polypeptides, amide regions and hydrogen bonds of proteins, in addition to DNA expression. In the present study, FT-Raman spectroscopy exhibited limited resolution since different molecules can express similar or even the same stretching vibrations, a fact that makes analysis difficult. There were no variations in the readings between the samples studied. In conclusion, FT-Raman spectroscopy did not meet expectations under the conditions studied.

Resumo As células-tronco mesenquimais (MSCs) possuem grande potencial para aplicação em procedimentos terapêuticos ligados a terapia celular e engenharia de tecidos, considerando-se a plasticidade e capacidade de formação em diferentes tipos celulares por elas. Dada a abrangência no emprego das MSCs, há necessidade de se compreender melhor algumas propriedades relacionadas à diferenciação osteogênica, particularmente liga à biomateriais usados em engenharia de tecidos. Este projeto objetiva o desenvolvimento de uma metodologia de análise empregando-se a FT-Raman para identificação e quantificação de componentes bioquímicos presentes em meios de cultura condicionados por MSCs, com ou sem indução à diferenciação osteogênica. Todos os experimentos foram realizados entre as passagens 3 e 5. Para essas análises, as MSCs foram cultivadas sobre arcabouços de polímeros biorreabsorvíveis de poli (hidroxibutirato-co-hidroxivalerato) (PHBV) e o poli (-caprolactona) (PCL). As MSCs (GIBCO®) foram inoculadas nos polímeros puros e na mistura 75:25 de PHBV / PCL (amostras densas e porosas). As células foram mantidas em DMEM (com baixa glicose) contendo GlutaMAX® e 10% de SFB a 37oC com 5% de CO2 por 21 dias. A própria placa foi usada como controle. Os meios de cultura condicionados foram coletados e analisadas em FT-Raman para sondagem de grupos funcionais, bem como possíveis variações moleculares associadas com a diferenciação e metabolismo celular. Foi possível discernir grupos funcionais de moléculas específicas no meio condicionado, como colesterol, fosfatidilinositol, triglicerídeos, forma Beta de polipeptídeos, regiões de amida e ligações de hidrogênio de proteínas, além da expressão de DNA. Na presente avaliação, a FT-Raman apresentou como uma técnica de resolução limitada, uma vez que modos vibracionais de estiramento próximos ou mesmo iguais podem ser expressos por moléculas diferente, dificultando a análise. Não houve variações nas leituras entre as amostras estudadas, concluindo-se que a FT-Raman não atendeu às expectativas nas condições estudadas.

Culture of rat mesenchymal stem cells on PHBV-PCL scaffolds: analysis of conditioned culture medium by FT-Raman spectroscopy / Cultivo de células-tronco mesenquimais de rato sobre arcabouços de PHBV-PCL: análise do meio de cultura condicionado por espectroscopia de FT-Raman

Abstract Mesenchymal stem cells (MSCs) have great potential for application in cell therapy and tissue engineering procedures because of their plasticity and capacity to differentiate into different cell types. Given the widespread use of MSCs, it is necessary to better understand some properties related to osteogenic differentiation, particularly those linked to biomaterials used in tissue engineering. The aim of this study was to develop an analysis method using FT-Raman spectroscopy for the identification and quantification of biochemical components present in conditioned culture media derived from MSCs with or without induction of osteogenic differentiation. All experiments were performed between passages 3 and 5. For this analysis, MSCs were cultured on scaffolds composed of bioresorbable poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate) (PHBV) and poly(ε-caprolactone) (PCL) polymers. MSCs (GIBCO®) were inoculated onto the pure polymers and 75:25 PHBV/PCL blend (dense and porous samples). The plate itself was used as control. The cells were maintained in DMEM (with low glucose) containing GlutaMAX® and 10% FBS at 37oC with 5% CO2 for 21 days. The conditioned culture media were collected and analyzed to probe for functional groups, as well as possible molecular variations associated with cell differentiation and metabolism. The method permitted to identify functional groups of specific molecules in the conditioned medium such as cholesterol, phosphatidylinositol, triglycerides, beta-subunit polypeptides, amide regions and hydrogen bonds of proteins, in addition to DNA expression. In the present study, FT-Raman spectroscopy exhibited limited resolution since different molecules can express similar or even the same stretching vibrations, a fact that makes analysis difficult. There were no variations in the readings between the samples studied. In conclusion, FT-Raman spectroscopy did not meet expectations under the conditions studied.

Resumo As células-tronco mesenquimais (MSCs) possuem grande potencial para aplicação em procedimentos terapêuticos ligados a terapia celular e engenharia de tecidos, considerando-se a plasticidade e capacidade de formação em diferentes tipos celulares por elas. Dada a abrangência no emprego das MSCs, há necessidade de se compreender melhor algumas propriedades relacionadas à diferenciação osteogênica, particularmente liga à biomateriais usados em engenharia de tecidos. Este projeto objetiva o desenvolvimento de uma metodologia de análise empregando-se a FT-Raman para identificação e quantificação de componentes bioquímicos presentes em meios de cultura condicionados por MSCs, com ou sem indução à diferenciação osteogênica. Todos os experimentos foram realizados entre as passagens 3 e 5. Para essas análises, as MSCs foram cultivadas sobre arcabouços de polímeros biorreabsorvíveis de poli (hidroxibutirato-co-hidroxivalerato) (PHBV) e o poli (ε-caprolactona) (PCL). As MSCs (GIBCO®) foram inoculadas nos polímeros puros e na mistura 75:25 de PHBV / PCL (amostras densas e porosas). As células foram mantidas em DMEM (com baixa glicose) contendo GlutaMAX® e 10% de SFB a 37oC com 5% de CO2 por 21 dias. A própria placa foi usada como controle. Os meios de cultura condicionados foram coletados e analisadas em FT-Raman para sondagem de grupos funcionais, bem como possíveis variações moleculares associadas com a diferenciação e metabolismo celular. Foi possível discernir grupos funcionais de moléculas específicas no meio condicionado, como colesterol, fosfatidilinositol, triglicerídeos, forma Beta de polipeptídeos, regiões de amida e ligações de hidrogênio de proteínas, além da expressão de DNA. Na presente avaliação, a FT-Raman apresentou como uma técnica de resolução limitada, uma vez que modos vibracionais de estiramento próximos ou mesmo iguais podem ser expressos por moléculas diferente, dificultando a análise. Não houve variações nas leituras entre as amostras estudadas, concluindo-se que a FT-Raman não atendeu às expectativas nas condições estudadas.

Biomechanical and histological evaluation of hydrogel implants in articular cartilage

We evaluated the mechanical behavior of the repaired surfaces of defective articular cartilage in the intercondylar region of the rat femur after a hydrogel graft implant. The results were compared to those for the adjacent normal articular cartilage and for control surfaces where the defects remained empty. Hydrogel synthesized by blending poly(2-hydroxyethyl methacrylate) and poly(methyl methacrylate-co-acrylic acid) was implanted in male Wistar rats. The animals were divided into five groups with postoperative follow-up periods of 3, 5, 8, 12 and 16 weeks. Indentation tests were performed on the neoformed surfaces in the knee joint (with or without a hydrogel implant) and on adjacent articular cartilage in order to assess the mechanical properties of the newly formed surface. Kruskal-Wallis analysis indicated that the mechanical behavior of the neoformed surfaces was significantly different from that of normal cartilage. Histological analysis of the repaired defects showed that the hydrogel implant filled the defect with no signs of inflammation as it was well anchored to the surrounding tissues, resulting in a newly formed articular surface. In the case of empty control defects, osseous tissue grew inside the defects and fibrous tissue formed on the articular surface of the defects. The repaired surface of the hydrogel implant was more compliant than normal articular cartilage throughout the 16 weeks following the operation, whereas the fibrous tissue that formed postoperatively over the empty defect was stiffer than normal articular cartilage after 5 weeks. This stiffness started to decrease 16 weeks after the operation, probably due to tissue degeneration. Thus, from the biomechanical and histological point of view, the hydrogel implant improved the articular surface repair.

Hidrogel sintético capaz de mimetizar o comportamento mecano-elétrico da cartilagem articular / Synthetic hydrogel capable of mimetism the machanoelectrical behavioral of articular cartilage

A cartilagem articular quando submetida a ação de força compressiva apresenta uma transdução mecano-elétrica. Acredita-se que os potenciais elétricos resultantes desse fenômeno de transdução influenciem a atividade biosintética dos condrócitos. Visando a obtenção de biomaterial que mimetize tal comportamento, para que possa ser utilizado no reparo de pequenos defeitos da cartilagem articular, foi sintetizado e caracterizado um hidrogel polimérico constituído por uma blenda sIPN de poli(Hema), usando poli(MMA-co-AA) como carga. O hidrogel obtido apresentou capacidade de absorção de água superior a 30 por cento e densidade de carga fixa de 0.1 meq/g. Em presença de solução de NaCl, o hidrogel apresentou o fenômeno de transdução elétrica, respondendo com potenciais de até 10mV quando submetido a cargas inferiores a 10 Kg.

Abstract - Articular cartilage under a compressive force shows a mechano electrical transduction. The electrical potentials rnay influence the biosynthetic activity of chondrocytes. Aiming the obtention of a biomaterial able to mimic this behaviour to be used in repair of articular cartilage defects a hydrogel constituted by a blend of poly(hydroxi ethyl methacrylate) with a copolymer of methyl methacrylate and acrylic acid as a filler was synthesised and characterised. The hydrogel obtained showed an equilibriurn water content upper than 30%, a fixed charge density of 0.1 meq/g and showed a mechano electrical transduction with potentials frorn O to l O m V for loads from O to 1 O Kg