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Single-Cell Microgel Encapsulation Improves the Therapeutic Efficacy of Mesenchymal Stem Cells in Treating Intervertebral Disc Degeneration via Inhibiting Pyroptosis

间充质干细胞 自愈水凝胶 椎间盘 变性(医学) 上睑下垂 移植 材料科学 生物医学工程 程序性细胞死亡 化学 细胞生物学 细胞凋亡 医学 病理 解剖 外科 生物 高分子化学 生物化学
作者
Guanrui Huang,Haotian Shen,Kaiwang Xu,Yifan Shen,Jiale Jin,Guangyu Chu,Hongyuan Xing,Zhiyun Feng,Yue Wang
出处
期刊:Research [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:7: 0311-0311 被引量:22
标识
DOI:10.34133/research.0311
摘要

While mesenchymal stem cell (MSC) shows great potentials in treating intervertebral disc degeneration, most MSC die soon after intradiscal transplantation, resulting in inferior therapeutic efficacy. Currently, bulk hydrogels are the common solution to improve MSC survival in tissues, although hydrogel encapsulation impairs MSC migration and disrupts extracellular microenvironment. Cell hydrogel encapsulation has been proposed to overcome the limitation of traditional bulk hydrogels, yet this technique has not been used in treating disc degeneration. Using a layer-by-layer self-assembly technique, we fabricated alginate and gelatin microgel to encapsulate individual MSC for treating disc degeneration. The small size of microgel allowed intradiscal injection of coated MSC. We demonstrated that pyroptosis was involved in MSC death under oxidative stress stimulation, and microgel coating suppressed pyroptosis activation by maintaining mitochondria homeostasis. Microgel coating protected MSC in the harsh disc microenvironment, while retaining vital cellular functions such as migration, proliferation, and differentiation. In a rat model of disc degeneration, coated MSC exhibits prolonged retention in the disc and better efficacy of attenuating disc degeneration, as compared with bare MSC treatment alone. Further, microgel-coated MSC exhibited improved therapeutic effects in treating disc degeneration via suppressing the activation of pyroptosis in the disc. For the first time, microgel-encapsulated MSC was used to treat disc degeneration and obtain encouraging outcomes. The developed biocompatible single-cell hydrogel is an effective strategy to protect MSC and maintain cellular functions and may be an efficacious approach to improving the efficacy of MSC therapy in treating disc degeneration. The objective of this study is to improve the efficacy of cell therapy for treating disc degeneration using single-cell hydrogel encapsulation and further to understand related cytoprotective mechanisms.
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