Self-oxygenation of engineered living tissues orchestrates osteogenic commitment of mesenchymal stem cells

自愈水凝胶 间充质干细胞 细胞生物学 缺氧水域 化学 生物医学工程 材料科学 生物 医学 环境化学 高分子化学
作者
Shabir Hassan,Ting Wang,Kun Shi,Yike Huang,Maria Elizabeth Urbina Lopez,Kaifeng Gan,Mo Chen,Niels Willemen,Haroon Kalam,Eder Luna‐Cerón,Berivan Çeçen,Gihan Daw Elbait,Jinghang Li,Luis Enrique García‐Rivera,Melvin Gurian,Mudassir M. Banday,Kisuk Yang,Myung‐Chul Lee,Weida Zhuang,Castro Johnbosco,Oju Jeon,Eben Alsberg,Jeroen Leijten,Su Ryon Shin
出处
期刊:Biomaterials [Elsevier BV]
卷期号:300: 122179-122179 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.biomaterials.2023.122179
摘要

Oxygenating biomaterials can alleviate anoxic stress, stimulate vascularization, and improve engraftment of cellularized implants. However, the effects of oxygen-generating materials on tissue formation have remained largely unknown. Here, we investigate the impact of calcium peroxide (CPO)-based oxygen-generating microparticles (OMPs) on the osteogenic fate of human mesenchymal stem cells (hMSCs) under a severely oxygen deficient microenvironment. To this end, CPO is microencapsulated in polycaprolactone to generate OMPs with prolonged oxygen release. Gelatin methacryloyl (GelMA) hydrogels containing osteogenesis-inducing silicate nanoparticles (SNP hydrogels), OMPs (OMP hydrogels), or both SNP and OMP (SNP/OMP hydrogels) are engineered to comparatively study their effect on the osteogenic fate of hMSCs. OMP hydrogels associate with improved osteogenic differentiation under both normoxic and anoxic conditions. Bulk mRNAseq analyses suggest that OMP hydrogels under anoxia regulate osteogenic differentiation pathways more strongly than SNP/OMP or SNP hydrogels under either anoxia or normoxia. Subcutaneous implantations reveal a stronger host cell invasion in SNP hydrogels, resulting in increased vasculogenesis. Furthermore, time-dependent expression of different osteogenic factors reveals progressive differentiation of hMSCs in OMP, SNP, and SNP/OMP hydrogels. Our work demonstrates that endowing hydrogels with OMPs can induce, improve, and steer the formation of functional engineered living tissues, which holds potential for numerous biomedical applications, including tissue regeneration and organ replacement therapy.
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