The influence of hyaluronic acid and its derivative on differentiation of mesenchymal stem cells into chondrocytes and proliferation and phenotype of human articular chondrocytes

Articular cartilage is the specialized connective tissue of the skeletal system which is prone to injuries because of its role in transmission of loads. Osteoarthritis is the most common joint disease leading to degradation of cartilage, chronic pain and disability. The treatment and repair of defects within this tissue still remain a clinical challenge. Except numerous surgical techniques, there are new drugs on the market which aim to relieve the pain and improve the functions of articular cartilage. Hyaluronic acid, which helps to maintain the correct parameters of the synovial fluid, is one of them. Its availability in the tissue can be improved by crosslinking with a polyethylene glycol. The aim of this project was to study the effect of the hyaluronic acid and its derivative on the function of the human articular chondrocytes and mesenchymal stem cells connected to the potential usage in the regeneration of the cartilage. Proliferation tests and expression of the marker genes in the chondrocytes, cultured with the tested substances were conducted. Also its influence on the differentiation of the mesenchymal stem cells into chondrocytes has been examined. Stimulation by hyaluronic acid and its derivative occurred to maintain the chondrocytes’ phenotype during the early stages of in vitro culture. However, differentiated into chondrocytes mesenchymal stem cells expressed high level of hypertrophy markers. The obtained results indicate the potential application of the hyaluronic acid and its derivative as the cell carriers as they help to maintain the chondrogenic phenotype during the in vitro culture, however they cast doubts on its usage as carriers for mesenchymal stem cells differentiation into chondrocytes.

Chrząstka stawowa jest tkanką, zapewniającą odpowiednie funkcjonowanie układu mięśniowo-szkieletowego, która jest w dużym stopniu narażona na uszkodzenia wynikające z jej ciągłego obciążenia mechanicznego. Najczęstszą zwyrodnieniową chorobą stawów, prowadzącą do stopniowej degradacji chrząstki jest osteoartretyzm, będący przyczyną chronicznego bólu oraz niepełnosprawności ruchowej. Leczenie ubytków tkanki chrzęstnej stanowi wyzwanie dla dzisiejszej medycyny. Oprócz wielu stosowanych technik chirurgicznych, na rynek wprowadzane są preparaty, mające uśmierzyć ból oraz poprawić funkcjonowanie chrząstki stawowej. Jednym z takich naturalnie występujących związków jest kwas hialuronowy, pozwalający zachować prawidłowe parametry mazi stawowej. Biodostępność preparatów zwiększana jest dzięki usieciowaniu ich substancjami takimi jak polietylenoglikol. Eksperymenty opisane w niniejszej pracy miały na celu zbadanie wpływu kwasu hialuronowego o wysokiej masie cząsteczkowej oraz jego pochodnej sieciowanej polietylenoglikolem na funkcje chondrocytów i mezenchymalnych komórek macierzystych związane z ich potencjalnym udziałem w regeneracji tkanki chrzęstnej. Przeprowadzono badania proliferacji oraz eksperymenty mające na celu oznaczenie markerów ekspresji chondrocytów hodowanych w obecności badanych substancji. Ponadto zbadano ich wpływ na różnicowanie mezenchymalnych komórek macierzystych w kierunku chondrocytów. Wykazano, że hodowla w obecności kwasu hialuronowego oraz jego sieciowanej pochodnej wpływa pozytywnie na utrzymanie fenotypu chondrocytów w początkowych stadiach hodowli in vitro, natomiast w przypadku różnicowania mezenchymalnych komórek macierzystych w kierunku chondrocytów, komórki wykazują fenotyp hipertroficzny. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość potencjalnego zastosowania kwasu hialuronowego i jego pochodnej jako nośników komórek, gdyż sprzyjają one utrzymaniu prawidłowego fenotypu chondrocytów hodowanych w warunkach in vitro, jednak poddają w wątpliwość słuszność ich zastosowania jako nośnika różnicowanych w kierunku chondrocytów mezenchymalnych komórek macierzystych.