Effect of bioactive materials modified with chondroitin sulfate on human MSC

De La Torre Torres, Jessica Elizabeth (2016). Effect of bioactive materials modified with chondroitin sulfate on human MSC. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Biomaterials functionalization by addition of biomolecules is an interesting approach for enhancing cell-biomaterial interactions and therefore improve their bioactivity. The global objective of this project is to enhance the bioactivity of biomaterials such as implantable devices and 3D scaffolds by adding extracellular matrix components and therefore facilitate the adhesion, growth and survival of human mesenchymal stem cells (hMSC) in biomaterials for tissue repair and tissue engineering applications.

In this project chondroitin sulfate (CS) and growth factors were studied for their effect on hMSC in biomaterials. First, the effect of these biomolecules was tested in solution. Then, two kinds of biomaterials were created: bioactive surfaces for enhancing bioactivity of implantable devices and bioactive hydrogels which can be used as 3D scaffolds for cell encapsulation and delivery.

A pro-survival effect of the growth factors studied in this project (epidermal growth factor, vascular endothelial growth factor and fibroblast growth factor) was not observed when tested in solution, therefore the project further focused on CS effect only. Interestingly, CS did not affect cell growth in media containing serum, while inducing cell detachment from substrate in serum free conditions.

For the bioactive surfaces construction, CS was grafted to either an amine-rich plasmapolymerized coating created on polyethylene terephthalate (PET) films (further referred as LP) or to commercial cell culture plates functionalized with amino groups. The bioactive surfaces were characterized by different techniques such as contact angle, atomic force microscopy, Orange II dye and Toluidine Blue O dye colorimetric assays (for amino group and CS quantification respectively) and finally, cell culture experiments (adhesion, growth and survival). Results confirmed the presence of CS grafted on both substrates. Commercial amine plates grafted almost five times more CS compared to LP. This rendered the surface antifouling for proteins and cells as confirmed by protein adsorption and cell culture assays. Cell culture assays on bioactive surfaces based on LP demonstrated improved cell adhesion and growth when compared to tissue culture plates or bare PET films in serum containing conditions.

Chitosan based hydrogels containing CS at a concentration of 500 μg/ml resulted in a cohesive hydrogel which supported hMSC viability up to 7 days. However increasing CS concentration to high level such as 10000 μg/ml led to decrease of cell viability after 4 or 7 days, probably due to lack of porosity and water since the hydrogel precipitates upon formation and expulses water.

In conclusion, this work demonstrated that CS immobilization can enhance the biological interactions of hMSC with biomaterials used for implantable devices such as PET. Further studies are needed to evaluate the possible effect of CS on hMSC differentiation and phenotype. Hydrogels with CS could be very interesting for tissue engineering applications such as cartilage formation.

Titre traduit

Effet des matériaux bioactifs modifiés avec sulfate de chondroïtine sur les cellules souches mésenchymateuses humaines

Résumé traduit

La fonctionnalisation de biomatériaux par ajout de biomolécules est une approche intéressante pour améliorer les interactions cellule-biomatériau, et ainsi accroître leur bioactivité. L’objectif de ce projet est d’améliorer la bioactivité de matériaux tels que les implants et les matrices 3D en ajoutant des composantes de la matrice extracellulaire, afin de faciliter l’adhésion, la croissance et la survie des cellules souches mésenchymateuses humaines (hMSC) sur les biomatériaux pour des applications comme la réparation de tissus et l’ingénierie tissulaire.

Dans ce projet, les effets du sulfate de chondroïtine et des facteurs de croissance sur les hMSC ont été étudiés. Tout d’abord, l’effet de ces molécules a été étudié en solution. Deux types de biomatériaux ont ensuite été obtenus : des surfaces bioactives pour une meilleure bioactivité des implants d’une part, et des hydrogels bioactifs pouvant être utilisés comme matrices 3D pour l’encapsulation et l’implantation de cellules d’autre part.

Les facteurs de croissance étudiés au cours de ce projet (facteur de croissance épidermique, facteur de croissance endothélial vasculaire et facteur de croissance des fibroblastes) n’ont pas montré d’effet pro-survie en solution, ainsi le projet s’est ensuite concentré sur les effets du CS seulement. Curieusement, le CS n’a pas affecté la croissance cellulaire en milieu avec sérum, mais a conduit à un détachement des cellules de leur substrat en conditions sans sérum.

Pour obtenir des surfaces bioactives, le CS a été greffé sur deux types de substrats : des films de PET sur lesquels une couche mince, polymérisée par plasma et riche en amines, a été déposée (que l’on nommera LP), et des plaques commerciales de culture cellulaire, fonctionnalisées par des groupements amines. Les surfaces bioactives furent caractérisées par différentes techniques : angle de contact, microscope à force atomique, tests colorimétriques par Orange II et Toluidine Bleue O (pour la quantification d’amines et du CS, respectivement), et tests cellulaires (adhésion, croissance et survie). La présence de CS greffé a été confirmée sur les deux types de substrats. Les plaques commerciales aminées ont permis le greffage de cinq fois plus de CS que les revêtements LP, avec pour conséquence l’obtention d’une surface antiadhésive pour les protéines et les cellules, comme l’ont confirmé les tests d’adsorption de protéine et de culture cellulaire. Les tests de culture cellulaire menés sur les surfaces bioactives obtenues sur les substrats LP, ont montré une adhésion et une croissance cellulaire accrues, en comparaison aux plaques de culture et les films de PET, en présence de sérum.

Les hydrogels de chitosane contenant 500 μg/ml de CS ont conduit à des hydrogels cohésifs permettant la survie des hMSC jusqu’à 7 jours. Toutefois, l’augmentation de la quantité de CS à des hauts niveaux de concentration tels que 10000 μg/ml, a entrainé une décroissance de la survie cellulaire après 4 ou 7 jours, probablement à cause d’un manque de porosité ainsi que d’eau, entrainé par la précipitation des hydrogels lors de leur formation.

En conclusion, ce travail a montré que l’immobilisation de CS permet d’améliorer les interactions biologiques entre les hMSC et les biomatériaux utilisés dans des dispositifs implantables, comme le PET. D’autres études sont nécessaires pour évaluer l’effet possible du CS sur la différentiation des hMSC et leur phénotype. Les hydrogels contenant du CS pourraient être dignes d’intérêt pour des applications d’ingénierie tissulaire comme la formation de cartilage.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in engineering concentration in healthcare technology". Bibliographie : pages 97-111.
Mots-clés libres:	Biomatériaux Biocompatibilité. Composés bioactifs. Biomatériaux Surfaces. Cellules Adhésivité. Cellules souches mésenchymateuses. Facteurs de croissance. Polyéthylène téréphtalate. Gels (Pharmacie) Conception. Génie tissulaire. Chondroitin sulfates. bioactivité, ingénierie tissulaire, sulfate de chondroïtine
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Lerouge, Sophie
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	03 nov. 2016 20:16
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:14
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1746

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