Chondrogenic differentiation within magnetic-responsive multilayered liquified capsules containing collagen II/TFG-β3 coated microparticles

The use of stem cells is a promising therapeutic approach for the substantial challenge to regenerate cartilage. Considering the two prerequisites, namely the use of a 3D system to enable the chondrogenic differentiation and growth factors to avoid dedifferentiation, the diffusion efficiency of essential biomolecules is an intrinsic issue. We already proposed a liquified bioencapsulation system containing solid microparticles as cell adhesion sites1. Here, we intend to use the optimized system towards chondrogenic differentiation by encapsulating stem cells and collagenII-TGF-β3 PLLA microparticles. As a proof-of-concept, magnetite-nanoparticles were incorporated into the multilayered membrane. This can be a great advantage after implantation procedures to fixate the capsules in situ with the held of an external magnetic patch and for the follow-up through imaging. Results showed that the production of glycosaminoglycans and the expression of cartilage-relevant markers (collagen II, Sox9, aggrecan, and COMP) increased up to 28 days, while hypertrophic (collagen X) and fibrotic (collagen I) markers were downregulated. The presence of nanofibers in the newly deposited ECM was visualized by SEM, which resembles the collagen fibrils of native cartilage. The presence of the major constituent of cartilage, collagen II, was detected by immunocytochemistry and afranin-O and alcian blue stainings revealed a basophilic ECM deposition, which is characteristic of neocartilage. These findings suggest that the proposed system may provide a suitable environment for chondrogenic differentiation.

Osteogenic differentiation of adipose stem cells by endothelial cells co-culture within liquified capsules

Inspired by the native co-existence of multiple cell types and from the concept of deconstructing the stem cell niche, we propose a co-encapsulation strategy within liquified capsules. The present team has already proven the application of liquified capsules as bioencapsulation systems1. Here, we intend to use the optimized system towards osteogenic differentiation. Capsules encapsulating adipose stem cells alone (MONO-capsules) or in co-culture with endothelial cells (CO-capsules) were maintained in endothelial medium with or without osteogenic differentiation factors. The suitability of the capsules for living stem and endothelial cells encapsulation was demonstrated by MTS and DNA assays. The osteogenic differentiation was assessed by quantifying the deposition of calcium and the activity of ALP up to 21 days. CO capsules had an enhanced osteogenic differentiation, even when cultured in the absence of osteogenic factors. Furthermore, osteopontin and CD31 could be detected, which respectively indicate that osteogenic differentiation had occurred and endothelial cells maintained their phenotype. An enhanced osteogenic differentiation by co-encapsulation was also confirmed by the upregulation of osteogenic markers (BMP-2, RUNX2, BSP) while the expression of angiogenic markers (VEGF, vWF, CD31) revealed the presence of endothelial cells. The proposed capsules can also act as a growth factor release system upon implantation, as showed by VEGF and BMP-2 quantification. These findings demonstrate that the co-encapsulation of stem and endothelial cells within liquified injectable capsules provides a promising strategy for bone tissue engineering.  

Silica nanoparticles as dexamethasone delivery systems able to induce the osteogenic differentiation of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells

Bioactive glasses, especially silica-based materials, are reported to pres- ent osteoconductive and osteoinductive properties, fundamental char- acteristics in bone regeneration [1,2]. Additionally, dexamethasone (Dex) is one of the bioactive agents able to induce the osteogenic differ- entiation of mesenchymal stem cells by increasing the alkaline phos- phatase activity, and the expression levels of Osteocalcin and Bone Sialoprotein [3]. Herein, we synthesised silica (SiO2) nanoparticles (that present inherent bioactivity and ability to act as a sustained drug delivery system), and coated their surface using poly-L-lysine (PLL) and hyaluronic acid (HA) using the layer-by-layer processing technique. Further on, we studied the influence of these new SiO2-polyelectrolyte coated nanoparticles as Dex sustained delivery systems. The SiO2 nanoparticles were loaded with Dex (SiO2-Dex) and coated with PLL and HA (SiO2-Dex-PLL-HA). Their Dex release profile was evaluated and a more sustained release was obtained with the SiO2-Dex-PLL-HA. All the particles were cultured with human bone marrow-derived mes- enchymal stem cells (hBMSCs) under osteogenic differentiation culture conditions. hBMSCs adhered, proliferated and differentiated towards the osteogenic lineage in the presence of SiO2 (DLS 174nm), SiO2-Dex (DLS 175nm) and SiO2-Dex-PLL-HA (DLS 679nm). The presence of these materials induced the overexpression of osteogenic transcripts, namely of Osteocalcin, Bone Sialoprotein and Runx2. Scanning Elec- tron Microscopy/Electron Dispersive Spectroscopy analysis demon- strated that hBMSCs synthesised calcium phosphates when cultured with SiO2-Dex and SiO2-Dex-PLL-HA nanoparticles. These results indi- cate the potential use of these SiO2-polyelectrolytes coated nanoparti- cles as dexamethasone delivery systems capable of promoting osteogenic differentiation of hBMSCs.

Enhancement of adhesion and promotion of osteogenic differentiation of human adipose stem cells by poled electroactive poly(vinylidene fluoride)

Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) is a biocompatible material with excellent electroactive properties. Non-electroactive α-PVDF and electroactive β-PVDF were used to investigate the substrate polarization and polarity influence on the focal adhesion size and number as well as on human adipose stem cells (hASCs) differentiation. hASCs were cultured on different PVDF surfaces adsorbed with fibronectin and focal adhesion size and number, total adhesion area, cell size, cell aspect ratio and focal adhesion density were estimated using cells expressing EGFP-vinculin. Osteogenic differentiation was also determined using a quantitative alkaline phosphatase assay. The surface charge of the poled PVDF films (positive or negative) influenced the hydrophobicity of the samples, leading to variations in the conformation of adsorbed extracellular matrix (ECM) proteins, which ultimately modulated the stem cell adhesion on the films and induced their osteogenic differentiation.

Dynamic piezoelectric stimulation enhances osteogenic differentiation of human adipose stem cells

This work reports on the influence of the substrate polarization of electroactive β-PVDF on human adipose stem cells (hASCs) differentiation under static and dynamic conditions. hASCs were cultured on different β-PVDF surfaces (non-poled and “poled -”) adsorbed with fibronectin and osteogenic differentiation was determined using a quantitative alkaline phosphatase assay. “Poled -” β-PVDF samples promote higher osteogenic differentiation, which is even higher under dynamic conditions. It is thus demonstrated that electroactive membranes can provide the necessary electromechanical stimuli for the differentiation of specific cells and therefore will support the design of suitable tissue engineering strategies, such as bone tissue engineering.

Biochemical and physical surface functionalization of polycaprolactone as a key mediator of osteogenic differentiation and vascularized tissue morphogenesis

Tese de Doutoramento em Engenharia de Tecidos, Medicina Regenerativa e Células Estaminais.

Examining mindfulness and its relation to self-differentiation and alexithymia

Published online first in 10 July 2013

Osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells in the absence of osteogenic supplements: a surface-roughness gradient study

The use of biomaterials to direct osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSCs) in the absence of osteogenic supplements is thought to be part of the next generation of orthopedic implants. We previously engineered surface-roughness gradients of average roughness (Ra) varying from the sub-micron to the micrometer range ( 0.5–4.7 lm), and mean distance between peaks (RSm) gradually varying from 214 lm to 33 lm. Here we have screened the ability of such surface-gradients of polycaprolactone to influence the expression of alkaline phosphatase (ALP), collagen type 1 (COL1) and mineralization by hMSCs cultured in dexamethasone (Dex)-deprived osteogenic induction medium (OIM) and in basal growth medium (BGM). Ra 1.53 lm/RSm 79 lm in Dex-deprived OI medium, and Ra 0.93 lm/RSm 135 lm in BGM consistently showed higher effectiveness at supporting the expression of the osteogenic markers ALP, COL1 and mineralization, compared to the tissue culture polystyrene (TCP) control in complete OIM. The superior effectiveness of specific surface-roughness revealed that this strategy may be used as a compelling alternative to soluble osteogenic inducers in orthopedic applications featuring the clinically relevant biodegradable polymer polycaprolactone.

Semipermeable capsules wrapping a multifunctional and self-regulated co-culture microenvironment for osteogenic differentiation

A new concept of semipermeable reservoirs containing co-cultures of cells and supporting microparticles is presented, inspired by the multi-phenotypic cellular environment of bone. Based on the deconstruction of the â stem cell nicheâ , the developed capsules are designed to drive a self-regulated osteogenesis. PLLA microparticles functionalized with collagen I, and a co-culture of adipose stem (ASCs) and endothelial (ECs) cells are immobilized in spherical liquified capsules. The capsules are coated with multilayers of poly(L-lysine), alginate, and chitosan nano-assembled through layer-by-layer. Capsules encapsulating ASCs alone or in a co-culture with ECs are cultured in endothelial medium with or without osteogenic differentiation factors. Results show that osteogenesis is enhanced by the co-encapsulation, which occurs even in the absence of differentiation factors. These findings are supported by an increased ALP activity and matrix mineralization, osteopontin detection, and the up regulation of BMP-2, RUNX2 and BSP. The liquified co-capsules also act as a VEGF and BMP-2 cytokines release system. The proposed liquified capsules might be a valuable injectable self-regulated system for bone regeneration employing highly translational cell sources.

Acciones tróficas de GABA: implicancias en la diferenciación sexual del cerebro. Trophic actions of GABA: Implications for sexual differentiation of the brain.

En el hipotálamo en desarrollo, el ácido gamma-amino butírico (GABA) produce depolarización neuronal, pudiendo incluso disparar potenciales de acción y causar la apertura de canales de calcio dependientes de voltaje. Esto se debe a que la concentración intracelular de Cl- es alta respecto al medio extracelular, por lo que en reposo el potencial de equilibrio de GABA es más positivo que el potencial de membrana. A medida que el desarrollo transcurre, la concentración intracelular de Cl- disminuye y se produce un cambio en la respuesta de depolarizante (etapa excitatoria) a hiperpolarizante (etapa inhibitoria). Se ha demostrado que este cambio ocurre también en neuronas hipotalámicas in vitro. El dimorfismo sexual del cerebro de los vertebrados es consecuencia de la acción del estrógeno aromatizado a partir de andrógenos segregados por el testículo durante el "periodo crítico" del desarrollo cerebral. Evidencias previas de nuestro y otros laboratorios pusieron de manifiesto diferencias en el crecimiento y diferenciación de neuronas que no podían atribuirse a la acción hormonal, ya que ocurren antes que se inicie el brusco aumento de la secreción gonadal, alrededor del día 18 de desarrollo embrionario en la rata (E18). Además de las diferencias morfológicas, encontramos diferencias sexuales en la forma que las neuronas hipotalámicas responden a muscimol, un agonista específico del receptor GABAA. A los 9 días in vitro (9 DIV) la respuesta a muscimol fue hiperpolarizante (etapa inhibitoria) y además fue de mayor amplitud, área y duración en machos respecto a hembras. Esto nos indica que las neuronas provenientes de embriones machos son intrínsecamente diferentes a las de embriones hembra aún antes de la acción organizadora de los esteroides sexuales. En base a estas evidencias nos propusimos continuar nuestros estudios sobre la participación de GABA en la determinación de diferencias sexuales en el cerebro antes de la acción organizadora de los esteroides gonadales. Para ello, en cultivos de neuronas hipotalámicas de E16 separados por sexos, estudiaremos:- la respuesta a muscimol de las neuronas, en la etapa excitatoria (2 DIV) de la acción de GABA.- las composición de subunidades de los receptores GABAA en la etapa excitatoria/inhibitoria de la acción de GABA.- la participación de los receptores GABAA sobre el crecimiento neurítico.- la activación de la vía de las MAP quinasas por muscimol.- la participación de los receptores GABAA sobre el crecimiento axonal inducido por estradiol in vitro.Toda la metodología propuesta es de uso habitual en nuestro laboratorio e involucra herramientas de la electrofisiología y la biología celular-molecular; como patch-clamp, cultivo de neuronas hipotalámicas, Western blot, RT-PCR, entre otras. Esperamos encontrar diferencias sexuales en la amplitud, área y duración de la respuesta de las neuronas hipotalámicas al muscimol a los 2 DIV, y que éstas se deban a una diferente composición de subunidades del receptor GABAA. En cuanto a la participación del receptor GABAA en la neuritogenesis, esperamos encontrar mayor longitud neurítica en neuronas macho como así también una activación sexualmente dimórfica de la vía de las MAP quinasas. Además esperamosque la acción de un antagonista del receptor GABAA interfiera con la axogénesis inducida por estradiol in vitro, característica que muestra diferencia sexual también a favor de los machos, lo que reforzaría nuestra hipótesis. La importancia y originalidad de este proyecto reside en la evaluación de la participación del sistema GABAérgico en la determinación de características que durante el desarrollo, podrían estar involucradas en la determinación de diferencias sexuales permanentes en el cerebro adulto independientemente de la acción de los esteroides sexuales. Hasta la fecha, no ha sido evaluada la influencia de los receptores GABAA en la diferenciación sexual del cerebro antes de la acción organizadora de los esteroides gonadales.

Metabolismo de fosfolípidos, señal de calcio y sus implicancias en la diferenciación de Trypanosoma cruzi. Phospholipids metabolism, calcium signal and its implications in the differentiation of Trypanosoma cruzi.

Trypanosoma cruzi es un protozoo primitivo agente causal de la enfermedad de Chagas. La transmisión de esta enfermedad depende tanto del desarrollo y de la diferenciación del microorganismo en el intestino del vector. Las diferentes formas del parásito se han adaptado a una serie de condiciones impuestas por los distintos ambientes en donde debió habitar. Esta capacidad de sobrevivir a medios externos tan variados está dada por la diversidad en las vías de transducción de señales en el parásito. T. cruzi se multiplica y diferencia (metaciclogénesis) en el recto de los triatominos. A este nivel, los parásitos se enfrentan a un incremento en la osmolaridad causado por un elevado contenido de NaCl en la orina. En nuestro laboratorio se observó que diferentes estímulos son capaces de producir incrementos en los niveles de IP3 y de Ca2+ intracelular, consecuencia de la activación del ciclo del inositol fosfato, y activación de fosfolipasa D (PLD) y fosfatidilinositol 3 quinasa (PI3K). En un medio carente de Na+ los epimastigotes estimulados con carbacol, mostraron una señal de calcio disminuida mientras que la acumulación de IP3 no se modificó. Además, esta señal se incrementó en presencia de PMA, activador de proteína quinasa C, mientras que la acumulación de IP3 se anuló completamente. Estos resultados indujeron a pensar en un mecanismo alternativo y/o paralelo a IP3 en la liberación de Ca2+, en el cual la presencia de un intercambiador Na+/H+ favorecería la liberación del ion desde organelas acídicas. Es conocido que la señal de calcio es requerida para la metaciclogénesis, y que esta señal es independiente del Ca2+ extracelular (Lammel y col. 1996, Marchesini y col., 2002). De este modo se propone que "los epimastigotes de T. cruzi utilizan como elementos conservados a lo largo de la evolución a los elementos del ciclo del inositol fosfato, uno de los sistemas de transducción de señales más antiguo, para responder a estímulos que inducen la diferenciación del parásito". Por lo tanto, para el desarrollo de este proyecto se propone determinar la presencia de un RcIP3 en epimastigotes y conocer su compromiso en la liberación de Ca2+ desde reservorios intracelulares. Además, establecer si un intercambiador Na+/H+ en membrana de acidocalcisomas estaría relacionado con la señal de calcio intracelular y su posible regulación por proteina quinasa C y A (PKC y PKA, respectivamente). Por otro lado, para dilucidar la implicancia de estos mecanismos en el proceso de metaciclogénesis, se propone estudiar la activación del intercambiador Na+/H+ y la señal de calcio en condiciones de hiperosmolaridad, tal como ocurre en el recto del triatomino. Ademas, ya que el proceso de diferenciación involucra una reorganización de los microtubulos del citoesqueleto se pretende estudiar el compromiso del metabolismo de fosfolípidos y tubulina en procesos que contribuyen a la inducción de la metaciclogenesis. El alcance de los objetivos mencionados ayudará a dilucidar la presencia de componentes tales como RcIP3 y el intercambiador Na+/H+ involucrados en la señalización del ion bivalente. Por otro lado, se espera demostrar que los isotipos de tubulina encontrados en T. cruzi cambien en cantidad relativa y nivel de expresión cuando los epimastigotes sean estimulados con posibles inductores de la diferenciación. Además, se espera observar simultáneamente un aumento en la actividad de dos enzimas relacionadas con la reorganización de microtúbulos: PI-3K y PLD. En tal caso, y para comprobar su implicancia en el proceso, se espera que la inhibición de tales enzimas sea capaz de revertir el efecto producido por los estímulos. Como la PLC se expresa principalmente en las forma epimastigotes mas que en los tripomastigotes (forma infectiva), la señal de Ca2+ inducida por IP3 se relacionaría con la capacidad del parásito para responder a ciertos cambios de pH y osmolaridad que enfrenta el microorganismo en el tracto digestivo del insecto vector.

Imaging beyond structure : novel noninvasive tools for neuroimaging of stem cell function and differentiation

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2013

Functional studies on the role of I[Kappa]B NS in T helper cell differentiation

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2014

The differentiation of character state relationships by binary coding and the monothetic subset method / Hymen Marx, George B. Rabb and Harold K. Voris.

v.72:no.1(1977)