Name: fabrication and characterization of layer-by-layer janus base nano-matrix to promote cartilage regeneration
Uploaded: 2022-07-06T13:20:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication and Characterization of Layer-By-Layer Janus Base Nano-Matrix to Promote Cartilage Regeneration at JoVE.com

Эта работа поддерживается грантами NIH 7R01AR072027 и 7R03AR069383, NSF Career Award 1905785, NSF 2025362 и Университетом Коннектикута. Эта работа также частично поддерживается грантом NIH S10OD016435.

1. Синтез JBNts
<ol><li>Получают мономер JBNt с использованием ранее опубликованных способов, включающих синтез различных соединений12.</li>
	<li>Очищают сырой мономер JBNt после того, как он был синтезирован с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) с исполь?...

<ol>
	<li>Chan, B. P., Leong, K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scaffolding+in+tissue+engineering:+general+approaches+and+tissue-specific+considerations.">Scaffolding in tissue engineering: general approaches and tissue-specific considerations.</a> European Spine Journal. 17, 467-479 (2008).</li><li>Heo, D. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+bioprinting+of+carbohydrazide-modified+gelatin+into+microparticle-suspended+oxidized+alginate+for+the+fabrication+of+complex-shaped+tissue+constructs.">3D bioprinting of carbohydrazide-modified gelatin into microparticle-suspended oxidized alginate for the fabrication of complex-shaped tissue constructs.</a> ACS Applied Material Interfaces. 12 (18), 20295-20306 (2020).</li><li>Almeida, H. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anisotropic+shape-memory+alginate+scaffolds+functionalized+with+either+type+i+or+type+ii+collagen+for+cartilage+tissue+engineering.">Anisotropic shape-memory alginate scaffolds functionalized with either type i or type ii collagen for cartilage tissue engineering.</a> Tissue Engineering. Part A. 23 (1-2), 55-68 (2017).</li><li>Vinatier, C., Guicheux, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cartilage+tissue+engineering:+From+biomaterials+and+stem+cells+to+osteoarthritis+treatments.">Cartilage tissue engineering: From biomaterials and stem cells to osteoarthritis treatments.</a> Annals of Physical and Rehabilitation Medicine. 59 (3), 139-144 (2016).</li><li>Filardo, G., Kon, E., Roffi, A., Di Martino, A., Marcacci, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scaffold-based+repair+for+cartilage+healing:+a+systematic+review+and+technical+note.">Scaffold-based repair for cartilage healing: a systematic review and technical note.</a> Arthroscopy. 29 (1), 174-186 (2013).</li><li>James, A. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+the+clinical+side+effects+of+bone+morphogenetic+protein-2.">A review of the clinical side effects of bone morphogenetic protein-2.</a> Tissue Engineering. Part B, Reviews. 22 (4), 284-297 (2016).</li><li>Blaney Davidson, E. N., vander Kraan, P. M., vanden Berg, W. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=TGF-beta+and+osteoarthritis.">TGF-beta and osteoarthritis.</a> Osteoarthritis Cartilage. 15 (6), 597-604 (2007).</li><li>Chen, Y., Yang, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intra-articular+drug+delivery+systems+for+arthritis+treatment.">Intra-articular drug delivery systems for arthritis treatment.</a> Rheumatology Current Research. 2, 106 (2012).</li><li>Liu, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Suppressing+mesenchymal+stem+cell+hypertrophy+and+endochondral+ossification+in+3D+cartilage+regeneration+with+nanofibrous+poly(l-lactic+acid)+scaffold+and+matrilin-3.">Suppressing mesenchymal stem cell hypertrophy and endochondral ossification in 3D cartilage regeneration with nanofibrous poly(l-lactic acid) scaffold and matrilin-3.</a> Acta Biomaterialia. 76, 29-38 (2018).</li><li>Song, S., Chen, Y., Yan, Z., Fenniri, H., Webster, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-assembled+rosette+nanotubes+for+incorporating+hydrophobic+drugs+in+physiological+environments.">Self-assembled rosette nanotubes for incorporating hydrophobic drugs in physiological environments.</a> International Journal of Nanomedicine. 6, 101-107 (2011).</li><li>Zhou, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-assembled+biomimetic+Nano-Matrix+for+stem+cell+anchorage.">Self-assembled biomimetic Nano-Matrix for stem cell anchorage.</a> Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 108 (4), 984-991 (2020).</li><li>Zhou, L., Yau, A., Zhang, W., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+a+biomimetic+nano-matrix+with+janus+base+nanotubes+and+fibronectin+for+stem+cell+adhesion.">Fabrication of a biomimetic nano-matrix with janus base nanotubes and fibronectin for stem cell adhesion.</a> Journal of Visualized Experiments. (159), e61317 (2020).</li><li>Chen, Y., Song, S., Yan, Z., Fenniri, H., Webster, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-assembled+rosette+nanotubes+encapsulate+and+slowly+release+dexamethasone.">Self-assembled rosette nanotubes encapsulate and slowly release dexamethasone.</a> International Journal of Nanomedicine. 6, 1035-1044 (2011).</li><li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-assembled+rosette+nanotube/hydrogel+composites+for+cartilage+tissue+engineering.">Self-assembled rosette nanotube/hydrogel composites for cartilage tissue engineering.</a> Tissue Engineering. Part C, Methods. 16 (6), 1233-1243 (2010).</li><li>Yu, H., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+biomedical+techniques+for+gene+delivery.">Advanced biomedical techniques for gene delivery.</a> Recent Patents on Biomedical Engineering (Discontinued). 5 (1), 23-28 (2012).</li><li>Muttigi, M. S., Han, I., Park, H. K., Park, H., Lee, S. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Matrilin-3+role+in+cartilage+development+and+osteoarthritis).">Matrilin-3 role in cartilage development and osteoarthritis).</a> International Journal of Molecular Sciences. 17 (4), 590 (2016).</li><li>Pei, M., Luo, J., Chen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancing+and+maintaining+chondrogenesis+of+synovial+fibroblasts+by+cartilage+extracellular+matrix+protein+matrilins.">Enhancing and maintaining chondrogenesis of synovial fibroblasts by cartilage extracellular matrix protein matrilins.</a> Osteoarthritis Cartilage. 16 (9), 1110-1117 (2008).</li><li>Bello, A. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Matrilin3/TGFbeta3+gelatin+microparticles+promote+chondrogenesis,+prevent+hypertrophy,+and+induce+paracrine+release+in+MSC+spheroid+for+disc+regeneration.">Matrilin3/TGFbeta3 gelatin microparticles promote chondrogenesis, prevent hypertrophy, and induce paracrine release in MSC spheroid for disc regeneration.</a> NPJ Regenerative Medicine. 6 (1), 50 (2021).</li><li>Muttigi, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Matrilin-3+codelivery+with+adipose-derived+mesenchymal+stem+cells+promotes+articular+cartilage+regeneration+in+a+rat+osteochondral+defect+model.">Matrilin-3 codelivery with adipose-derived mesenchymal stem cells promotes articular cartilage regeneration in a rat osteochondral defect model.</a> Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 12 (3), 667-675 (2018).</li><li>Jayasuriya, C. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Matrilin-3+chondrodysplasia+mutations+cause+attenuated+chondrogenesis,+premature+hypertrophy+and+aberrant+response+to+TGF-beta+in+chondroprogenitor+cells.">Matrilin-3 chondrodysplasia mutations cause attenuated chondrogenesis, premature hypertrophy and aberrant response to TGF-beta in chondroprogenitor cells.</a> International Journal of Molecular Sciences. 15 (8), 14555-14573 (2014).</li><li>Poniatowski, L. A., Wojdasiewicz, P., Gasik, R., Szukiewicz, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transforming+growth+factor+Beta+family:+insight+into+the+role+of+growth+factors+in+regulation+of+fracture+healing+biology+and+potential+clinical+applications.">Transforming growth factor Beta family: insight into the role of growth factors in regulation of fracture healing biology and potential clinical applications.</a> Mediators of Inflammation. 2015, 137823 (2015).</li><li>Sun, Y., Lu, Y., Hu, Y., Ma, F., Chen, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Induction+of+osteogenesis+by+bovine+platelet+transforming+growth+factor-beta+(TGF-beta)+in+adult+mouse+femur.">Induction of osteogenesis by bovine platelet transforming growth factor-beta (TGF-beta) in adult mouse femur.</a> Chinese Medical Journal (English). 108 (12), 914-918 (1995).</li><li>Sun, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anti-miRNA+oligonucleotide+therapy+for+chondrosarcoma).">Anti-miRNA oligonucleotide therapy for chondrosarcoma).</a> Molecular Cancer Therapeutics. 18 (11), 2021-2029 (2019).</li><li>Jayasuriya, C. T., Chen, Y., Liu, W., Chen, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+influence+of+tissue+microenvironment+on+stem+cell-based+cartilage+repair.">The influence of tissue microenvironment on stem cell-based cartilage repair.</a> Annals of the New York Academy of Sciences. 1383 (1), 21-33 (2016).</li><li>Chen, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deficient+mechanical+activation+of+anabolic+transcripts+and+post-traumatic+cartilage+degeneration+in+matrilin-1+knockout+mice.">Deficient mechanical activation of anabolic transcripts and post-traumatic cartilage degeneration in matrilin-1 knockout mice.</a> PLoS One. 11 (6), 0156676 (2016).</li><li>Zhou, L., Zhang, W., Lee, J., Kuhn, L., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+self-assembly+of+DNA-mimicking+nanotubes+to+form+a+layer-by-layer+scaffold+for+homeostatic+tissue+constructs.">Controlled self-assembly of DNA-mimicking nanotubes to form a layer-by-layer scaffold for homeostatic tissue constructs.</a> ACS Applied Material Interfaces. 13 (43), 51321-51332 (2021).</li><li>Belluoccio, D., Schenker, T., Baici, A., Trueb, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+human+matrilin-3+(MATN3).">Characterization of human matrilin-3 (MATN3).</a> Genomics. 53 (3), 391-394 (1998).</li><li>Yau, A., Yu, H., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=mRNA+detection+with+fluorescence-base+imaging+techniques+for+arthritis+diagnosis.">mRNA detection with fluorescence-base imaging techniques for arthritis diagnosis.</a> Journal of Rheumatology Research. 1 (2), 39-46 (2019).</li><li>Lee, J., Sands, I., Zhang, W., Zhou, L., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=DNA-inspired+nanomaterials+for+enhanced+endosomal+escape.">DNA-inspired nanomaterials for enhanced endosomal escape.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences. 118 (19), (2021).</li><li>Zhang, W., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+engineering+of+DNA-inspired+Janus+base+nanomaterials.">Molecular engineering of DNA-inspired Janus base nanomaterials.</a> Juniper Online Journal Material Science. 5 (4), 555670 (2019).</li><li>Yau, A., Sands, I., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nano-scale+surface+modifications+to+advance+current+treatment+options+for+cervical+degenerative+disc+disease+(CDDD).">Nano-scale surface modifications to advance current treatment options for cervical degenerative disc disease (CDDD).</a> Journal of Orthopedic Research and Therapy. 4 (9), 1147 (2019).</li><li>Mello, M. A., Tuan, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+TGF-beta1+and+triiodothyronine+on+cartilage+maturation:+in+vitro+analysis+using+long-term+high-density+micromass+cultures+of+chick+embryonic+limb+mesenchymal+cells.">Effects of TGF-beta1 and triiodothyronine on cartilage maturation: in vitro analysis using long-term high-density micromass cultures of chick embryonic limb mesenchymal cells.</a> Journal of Orthopaedic Research. 24 (11), 2095-2105 (2006).</li><li>Shi, Y., Massague, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+of+TGF-beta+signaling+from+cell+membrane+to+the+nucleus.">Mechanisms of TGF-beta signaling from cell membrane to the nucleus.</a> Cell. 113 (6), 685-700 (2003).</li><li>Sands, I., Lee, J., Zhang, W., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=RNA+delivery+via+DNA-inspired+janus+base+nanotubes+for+extracellular+matrix+penetration.">RNA delivery via DNA-inspired janus base nanotubes for extracellular matrix penetration.</a> MRS Advances. 5 (16), 815-823 (2020).</li><li>Zhou, L., Rubin, L. E., Liu, C., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Short+interfering+RNA+(siRNA)-based+therapeutics+for+cartilage+diseases.">Short interfering RNA (siRNA)-based therapeutics for cartilage diseases.</a> Regenerative Engineering and Translational Medicine. 7 (3), 283-290 (2020).</li><li>Bi, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deposition+of+PEG+onto+PMMA+microchannel+surface+to+minimize+nonspecific+adsorption.">Deposition of PEG onto PMMA microchannel surface to minimize nonspecific adsorption.</a> Lab on a Chip. 6 (6), 769-775 (2006).</li><li>Chen, Y., Webster, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increased+osteoblast+functions+in+the+presence+of+BMP-7+short+peptides+for+nanostructured+biomaterial+applications.">Increased osteoblast functions in the presence of BMP-7 short peptides for nanostructured biomaterial applications.</a> Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 91 (1), 296-304 (2009).</li><li>Sun, M., Lee, J., Chen, Y., Hoshino, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+of+nanoparticle+delivery+with+in+vitro+bio-engineered+microtissues.">Studies of nanoparticle delivery with in vitro bio-engineered microtissues.</a> Bioactive Materials. 5 (4), 924-937 (2020).</li><li>Yau, A., Lee, J., Chen, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanomaterials+for+protein+delivery+in+anticancer+applications.">Nanomaterials for protein delivery in anticancer applications.</a> Pharmaceutics. 13 (2), 155 (2021).</li></ol>

Целью этого исследования является разработка платформы биомиметических каркасов, JBNm, для преодоления ограничений обычных тканевых конструкций, которые полагаются на среду клеточной культуры для опосредования дифференцировки клеток. JBNm представляет собой каркас послойной структуры...

Каркасы в тканевой инженерии играют жизненно важную роль в обеспечении структурной поддержки прикрепления клеток и последующего развития тканей1. Как правило, обычные тканевые конструкции без каких-либо строительных лесов полагаются на среду клеточной культуры и добавляют факторы роста для опосредования дифференцировки клеток. Кроме того, это добавление биологически активных молекул в каркасы часто является предпочтительным подходом в руководстве дифференцировкой клеток и функцией 2,3. Некоторые каркасы могут имитировать биохимическое микроокружение нативных тканей независимо друг от друга, в то время как другие могут напрямую влиять на функции клеток через факторы роста. Тем не менее, исследователи часто сталкиваются с проблемами при выборе каркасов, которые могут положительно повлиять на адгезию, рост и дифференцировку клеток, обеспечивая при этом оптимальную структурную поддержку и стабильность в течение длительного периода 4,5. Биологически активные молекулы часто слабо связаны с каркасом, что приводит к быстрому высвобождению этих белков при имплантации, что приводит к их высвобождению в нежелательных местах. Это приводит к побочным эффектам на ткани или клетки, которые не были преднамеренно нацелены 6,7.
Строительные леса обычно изготавливаются из полимерных материалов. Наноматрица основания Януса (JBNm) представляет собой биомиметическую каркасную платформу, созданную с помощью нового послойного метода для самоустойчивой конструкции хрящевой ткани8. Эти новые нанотрубки, вдохновленные ДНК, были названы базовыми нанотрубками Януса (JBNts), поскольку они должным образом имитируют структуру и химию поверхности коллагена, обнаруженного во внеклеточном матриксе (ECM). С добавлением биологически активных молекул, таких как матрилин-3 и трансформирующий фактор роста бета-1 (TGF-β1), JBNm может создать оптимальное микросреднее окружение, которое затем может стимулировать желаемую функциональность клеток и тканей9.
JBNts представляют собой новые нанотрубки, полученные из синтетических версий нуклеооснового аденина и тимина. JBNts формируются путем самосборки10; шесть синтетических нуклеотидов связываются, образуя кольцо, и эти кольца подвергаются π-π укладочным взаимодействиям для создания нанотрубки длиной 200-300 мкм11. Эти нанотрубки структурно похожи на коллагеновые белки; Имитируя аспект микроокружения нативного хряща, JBNts, как было показано, обеспечивает благоприятный участок прикрепления для хондроцитов и мезенхимальных стволовых клеток человека (hMSCs)11,12,13,14. Поскольку нанотрубки подвергаются самосборке и не требуют какого-либо инициатора (например, ультрафиолетового света), они демонстрируют захватывающий потенциал в качестве инъекционного каркаса для труднодоступных областей дефектов15.
Матрилин-3 представляет собой структурный белок внеклеточного матрикса, содержащийся в хряще. Этот белок играет значительную роль в хондрогенезе и правильной функции хряща16,17. В последнее время он был включен в каркас биоматериала, способствуя хондрогенезу без гипертрофии 9,18,19. Включая этот белок в JBNm, хрящевые клетки притягиваются к каркасу, который содержит компоненты, аналогичные компонентам его нативной микросреды. Кроме того, было показано, что матрилин-3 необходим для правильной передачи сигналов TGF-β1 в хондроцитах20. Факторы роста функционируют как сигнальные молекулы, вызывая специфический рост определенной клетки или ткани. Таким образом, для достижения оптимальной регенерации хряща матрилин-3 и TGF-β1 являются важными компонентами в JBNm. Добавление TGF-β1 в каркас слой за слоем может дополнительно способствовать регенерации хряща в тканевой конструкции. TGF-β1 является фактором роста, используемым для стимулирования процесса заживления остеохондральных дефектов, стимулируя пролиферацию и дифференцировку хондроцитов и hMSC21,22. Таким образом, TGF-β1 играет ключевую роль в регенерации хряща JBNm (J / T / M JBNm) 23, способствуя правильному росту, особенно когда он локализован в слоях JBNm.
Как упоминалось ранее, факторы роста обычно собираются на внешней стороне лесов без каких-либо конкретных методов включения. Здесь, с точно спроектированной наноархитектурой биоматериалов, JBNm был разработан для специфического нацеливания на предполагаемые клетки и ткани. JBNm состоит из TGF-β1, приклеенного к поверхностям JBNt во внутреннем слое, и матрилина-3, приклеенного к поверхностям JBNt во внешнем слое24,25. Включение TGF-β1 во внутренний слой послойной структуры позволяет создать высоко локализованное микросреду вдоль волокон JBNm, создавая гомеостатическую тканевую конструкцию с гораздо более медленным высвобождением белка12. Инъекционная способность JBNm делает его идеальной конструкцией хрящевой ткани для различных будущих применений биоматериала26.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>10 % Normal Goat Serum</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>50062Z</td>
			<td>Agent used to block nonspecific antibody binding actions during staining.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>24-well plate</td>
			<td>Corning</td>
			<td>07-200-740</td>
			<td>24-well plate used for comparative cell culture.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>384-Well Black Untreated Plate</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>262260</td>
			<td>384-well plate used for absorption measurements.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8-well chambered coverglass</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>155409PK</td>
			<td>8-well coverglass used for comparative cell culture.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-well flat bottom</td>
			<td>Corning</td>
			<td>07-200-91</td>
			<td>96-well plate used for comparative cell culture.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-Well Plate non- treated</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>260895</td>
			<td>96-well plate used for comparative cell culture and analysis.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agarose Gel</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>A9539</td>
			<td>Hydrogel used for cell culture.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Agarose Gel</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>A9539</td>
			<td>Hydrogel used as an environment for cell culture.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Fluor Microscale Protein Labeling Kit</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>A30006 (488) and A30007 (555)</td>
			<td>Fluorescent dye used to label proteins.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-Collagen X Antibody</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>41-9771-82</td>
			<td>Antibody used to stain collagen-X.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bio-Rad PCR Machine</td>
			<td>Bio-Rad</td>
			<td></td>
			<td>Equipment used to perform PCR on samples.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C28/I2 Chondrocyte Cell Line</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Cells used to analyze proliferative abilities of various samples.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cell Counting Kit 8</td>
			<td>Milipore Sigma</td>
			<td>96992</td>
			<td>Cell proliferation assay.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cell Profiler</td>
			<td>Broad Institute</td>
			<td></td>
			<td>Software used to analyze cell images.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cryostat Microtome</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Equipment used to produce thin segments of samples for use in staining and microscopy.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DAPI</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>D1306</td>
			<td>Blue fluorescent stain that binds to adenine-thymine DNA regions.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable cuvettes</td>
			<td>FISHER Scientific</td>
			<td>14-955-128</td>
			<td>Container used for spectrophotometry.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM Cell Culture Medium</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>10566032</td>
			<td>Media used to support cellular growth.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal Bovine Serum</td>
			<td>GIBCO</td>
			<td>A4766801</td>
			<td>Serum used in cell culture medium to support cell growth.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluoromount-G Mounting Medium</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>00-4958-02</td>
			<td>Solution used to mount slides for immunostaining.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Formaldehyde</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Compound used to fix samples prior to microtoming.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>A16110</td>
			<td>Antibody used for protein staining.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Human Mesenchymal Stem Cells</td>
			<td>LONZA</td>
			<td>PT-2501</td>
			<td>Cells used to analyze differentiative abilities of various samples.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Human Mesenchymal Stem Chondrogenic Medium</td>
			<td>LONZA</td>
			<td>PT-3003</td>
			<td>Cell medium used to promote chondrogenic differentiation.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ImageJ</td>
			<td>National Institutes of Health</td>
			<td></td>
			<td>Image analysis software used in conjunction with microscopy.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>itaq Universal SYBR Green One-Step Kit</td>
			<td>BioRad</td>
			<td>1725150</td>
			<td>Kit used for PCR.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Janus-base nanotubes (JBNts)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Nanotube made from synthetic nucleobases to act as cell scaffolding tool.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LaB6 20-120 kV Transmission Electronic Microscope</td>
			<td>Tecnai</td>
			<td></td>
			<td>Equipment used to perform transmission electron microscopy on a sample.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MATLAB</td>
			<td>MathWorks</td>
			<td></td>
			<td>Statistical software used for modeling and data analysis.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matrilin-3</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>3017MN050</td>
			<td>Structural protein used as adhesion sites for chondrocytes.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NanoDrop Spectrophotometer</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td></td>
			<td>Equipment used to measure absorption values of a sample.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nikon A1R Spectral Confocal Microscope</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>A1R HD25</td>
			<td>Confocal microscope used to analyze samples.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Number 1.5 Chamber Coverglass</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>152250</td>
			<td>Environment for sterile cell culture and imaging.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optimal Cutting Temperature Compound Reagent</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Compound used to embed cells prior to microtoming.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paraformaldehyde</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>AAJ19943K2</td>
			<td>Compound used to fix cells.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PDC-32G Plasma Cleaner</td>
			<td>Harrick Plasma</td>
			<td></td>
			<td>Cleaner used to prepare grids prior to transmission electron microscopy.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>penicillin-streptomycin</td>
			<td>GIBCO</td>
			<td>15-140-148</td>
			<td>Antibiotic agent used to discourage bacterial growth during cell culture.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphate Buffered Saline</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>10010023</td>
			<td>Solution used to wash cell medium and act as a buffer during experimentation.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rhodamine-phalloidin</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>R415</td>
			<td>F-Actin red fluorescent dye.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rneasy Plant Mini Kit</td>
			<td>QIAGEN</td>
			<td>74904</td>
			<td>Kit used to filter and homogenize samples during RNA extraction.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sucrose Solution</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Solution used to process samples prior to microtoming.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TGF beta-1 Human ELISA Kit</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>BMS249-4</td>
			<td>Assay kit used to determine the presence of TGF-&#946;1 in a sample.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TGF-&#946;1</td>
			<td>PEPROTECH</td>
			<td>100-21C</td>
			<td>Growth factor used for the stimulation of chondrogenic differentiation and proliferation.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triton-X</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>HFH10</td>
			<td>Compound used to lyse cells not fixed during staining process.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TRIzol Reagent</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>15596026</td>
			<td>Reagent used to isolate RNA.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Zetasizer Nano ZS</td>
			<td>Malvern Panalytical</td>
			<td></td>
			<td>Equipment used to measure zeta-potential values of a sample.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

fabrication and characterization of layer-by-layer janus base nano-matrix to promote cartilage regeneration

Были разработаны различные каркасы биоматериала для управления клеточной адгезией и пролиферацией в надежде способствовать выполнению конкретных функций для использования in vitro и in vivo . Добавление факторов роста в эти каркасы биоматериала обычно делается для обеспечения оптимальной среды клеточной культуры, опосредующей дифференцировку клеток и ее последующие функции. Тем не менее, факторы роста в обычном каркасе биоматериала обычно предназначены для высвобождения при имплантации, что может привести к непреднамеренным побочным эффектам на окружающие ткани или клетки. Здесь основанная на ДНК наноматрица Януса (JBNm) успешно достигла высоко локализованного микроокружения с послойной структурой для самоустойчивых конструкций хрящевой ткани. JBNms самособираются из базовых нанотрубок Janus (JBNts), матрилина-3 и трансформирующего фактора роста бета-1 (TGF-β1) посредством биоаффина. JBNm был собран в соотношении TGF-β1:матрилин-3:JBNt 1:4:10, поскольку это было определенное соотношение, при котором могла происходить правильная сборка в послойную структуру. Сначала к раствору матрилина-3 добавляли раствор TGF-β1. Затем эту смесь несколько раз пипетировали для обеспечения достаточной однородности перед добавлением раствора JBNt. Это образовало слой за слоем JBNm, после повторной пипетки несколько раз. Были проведены различные эксперименты, чтобы охарактеризовать послойную структуру JBNm, только JBNts, только матрилин-3 и только TGF-β1. Образование JBNm изучали с помощью спектров поглощения UV-Vis, а структуру JBNm наблюдали с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ). Поскольку инновационный каркас JBNm, находящийся послойно, формируется в молекулярном масштабе, можно наблюдать флуоресцентный краситель, меченый JBNm. TGF-β1 ограничен внутренним слоем инъекционного JBNm, который может предотвратить высвобождение факторов роста в окружающие области, способствовать локализованному хондрогенезу и способствовать антигипертрофному микроокружению.

Следуя протоколу, JBNt были успешно синтезированы и охарактеризованы поглощением UV-Vis и TEM. JBNm представляет собой инъекционный твердый каркас, который подвергается быстрому биомиметическому процессу. После того, как JBNts добавляли к смеси раствора TGF-β1/матрилин-3 в физиологической среде, о?...

Watch this Scientific Journal Video about Fabrication and Characterization of Layer-By-Layer Janus Base Nano-Matrix to Promote Cartilage Regeneration at JoVE.com

Fabrication and Characterization of Layer-By-Layer Janus Base Nano-Matrix to Promote Cartilage Regeneration

Этот протокол описывает сборку послойного наноматричного каркаса основания Janus (JBNm) путем последовательного добавления базовых нанотрубок Janus (JBNts), матрилина-3 и трансформирующего фактора роста Beta-1 (TGF-β1). JBNm был сфабрикован и охарактеризован; кроме того, он демонстрировал отличную биологическую активность, стимулируя функции клеток, такие как адгезия, пролиферация и дифференцировка.

Изготовление и характеристика наноматрики на основе Януса слой за слоем для содействия регенерации хряща

Various biomaterial scaffolds have been developed to guide cell adhesion and proliferation in hopes to promote specific functions for in vitro and in vivo ...

Этот протокол показывает, как мы собрали и охарактеризовали слой за слоем JBNm на молекулярном уровне. JBNm инкапсулирует TGF-B1 и предотвращает его высвобождение в окружающие ткани, тем самым способствуя локализованному хондрогенезу. Формирование JBNm стандартизировано, что позволяет формировать различные JBNm для будущих применений.Уникальная послойная структура позволяет инкапсуляцию фактора роста, создавая устойчивое локализованное высвобождение, что позволяет избежать гипертрофии и поддерживать рост. JBNm обеспечивает гомеостатическое микросредование для регенерации хрящевой ткани в ограниченном месте из-за его инъекционной способности, которая может быть использована для различных сценариев, таких как переломы неправильной формы или полости. Для начала добавьте восемь микролитров по одному миллиграмму на миллилитр TGF-B1, суспендированных в воде до 32 микролитров по одному миллиграмму на миллилитр Матрилина-3, взвешенного в воде.Пипетка для обеспечения правильного перемешивания этих белков. Добавьте 80 микролитров по одному миллиграмму на миллилитр. Нанотрубки Janus Base, или JBNts, взвешенные в воде, в растворе TGF-B1, Matrilin-3.Пипетка многократно для обеспечения правильного смешивания. Для группы JBNt добавьте пять микролитров по одному миллиграмму на миллилитр, JBNts к 50 микролитрам воды, чтобы получить 90,9 микрограмм на миллилитр раствора. Для группы Матрилин-3 добавьте 40 микролитров по 10 мкг на миллилитр Матрилина-3 до 15 микролитров воды, чтобы получить 7,3 мкг на миллилитр раствора.Для группы TGF-B1 добавьте 10 микролитров по 10 микрограммов на миллилитр, TGF-B1 к 45 микролитрам воды, чтобы получить 1,8 микрограмма на миллилитр раствора. Для наноматрики Janus Base или группы JBNm добавьте 40 микролитров по 10 микрограммов на миллилитр, матрилин-3 до 10 микролитров по 10 микрограммов на миллилитр TGF-B1. Перемешайте, чтобы обеспечить правильное перемешивание.Затем добавьте к раствору пять микролитров по одному миллиграмму на миллилитр JBNts, многократно пипетируя для смешивания образца. С помощью спектрофотометра измерьте спектр поглощения каждой группы. Маркировка TGF-B1 с помощью набора для маркировки белка в соответствии с инструкциями производителя.Добавьте 20 микролитров по 20 микрограммов на миллилитр, помеченных TGF-B1, к 25 микролитрам воды, чтобы получить 8,9 микрограмма на миллилитр тестового раствора. Маркировка Matrilin-3 с помощью отдельного набора для маркировки. Добавьте 20 микролитров по 80 микрограмм на миллилитр с маркировкой Matrilin-3 до 25 микролитров воды, чтобы получить 36 микрограмм на миллилитр тестового раствора.Смешайте 20 микролитров по 80 микрограммов на миллилитр с маркировкой Matrilin-3 с 20 микролитрами по 20 микрограммов на миллилитр с маркировкой TGF-B1 и пятью микролитрами воды, в результате чего получится меченое соединение TGF-B1, Matrilin-3. Пипетку смесь несколько раз перемешать. Добавьте пять микролитров по одному миллиграмму на миллилитр JBNts к 40 микролитрам воды, в результате чего получится 111 микрограмм на миллилитр раствора.Затем добавляют пять микролитров по одному миллиграмму на миллилитр JBNts к меченому раствору TGF-B1, Matrilin-3 и многократно пипетку для смешивания соединения. Перенесите каждую группу образцов в скважину черной плиты 384 скважины. Загрузите пластину в многомодовый считыватель микропластин и проведите измерения на длинах волн возбуждения 488 и 555 нанометров в соответствии с протоколами производителя.В физиологических условиях спектр дзета-потенциала Матрилина-3 был отрицательно заряжен из-за его изоэлектрической точки. После добавления TGF-B1 к Matrilin-3 дзета-потенциал соединения TGF-B1 Matrilin-3 увеличился до почти нейтрального значения. Дзета-потенциал JBNm был самым высоким среди трех групп.Спектры видимого поглощения УФ подтвердили формирование иерархического слоя за слоем внутренней структуры JBNm, ароматических колец боковых цепей лизина, а JBNts способствовали пикам поглощения на 220 и 280 нанометрах соответственно. TEM использовался для характеристики морфологии JBNts и JBNm. После объединения с белками наблюдались толстые пучки JBNm, образующие структуру каркаса.Флуоресцентная микроскопия подтвердила наличие послойной структуры и продемонстрировала поперечное сечение JBNm. После маркировки красный флуоресцентный Матрилин-3 окутал пучки JBNt и сформировал внешний слой JBNm, в то время как зеленый флуоресцентный TGF-B1 образовал внутренний слой. Флуоресцентный резонансный перенос энергии показал пики излучения на уровне 520 нанометров для меченых групп TGF-B1 и 570 нанометров для групп Matrilin-3.Было исследовано влияние JBNm на адгезию HMSC и пролиферацию клеток. JBNm показал, что HMSC сгруппированы вместе с самим собой, тогда как меньше ячеек придерживались JBNts. Выравнивание клеток и размер клеток на JBNm продемонстрировали, что JBNts играют роль в клеточной адгезии, в то время как белки увеличивают сродство клеточной адгезии.После первого дня клеточной культуры группы JBNm и TGF-B1 показали значительную пролиферацию клеток по сравнению с другими группами. Когда продолжительность клеточной структуры была увеличена до трех и пяти дней, группы JBNm и TGF-B1 продемонстрировали еще более повышенную пролиферацию клеток. При флуоресцентной маркировке JBNm важно, чтобы TGF-B1 и Matrilin-3 были индивидуально маркированы и смешаны перед добавлением JBNts, чтобы обеспечить правильное формирование структуры слоя за слоем.Дальнейшая оценка каркасов может дать понимание того, насколько они эффективны в терапевтических методах лечения. Более конкретно, высокопроизводительный анализ пролиферации, может определить оптимальную дозировку in vitro, а затем in vivo. Это новое создание NanoMatriX позволяет исследователям использовать инъекционный каркас на основе наноматериала для регенерации хряща.Этот подход, основанный на поли имитации, позволяет усилить андрогенез и противостоять пролиферации сайта.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Microfluidic Chip Fabrication and Method to Detect Influenza

Микрофлюидных Изготовление Чип и метод для выявления гриппа

Fast  and effective diagnostics play an important role in controlling infectious  disease by enabling effective patient management and treatment. Here, we ...

Human Cartilage Tissue Fabrication Using Three-dimensional Inkjet Printing Technology

Человека хрящевой ткани Изготовление с использованием трехмерных струйных технологии печати

Bioprinting, which is based on thermal inkjet printing, is one of the most attractive enabling technologies in the field of tissue engineering and ...

Fabrication and Characterization of a Conformal Skin-like Electronic System for Quantitative, Cutaneous Wound Management

Изготовление и характеристика конформной кожей, как электронная система Количественный, кожный ран управления

Recent advances in the development of electronic technologies and biomedical devices offer opportunities for non-invasive, quantitative assessment of ...

Layer-by-layer Collagen Deposition in Microfluidic Devices for Microtissue Stabilization

Слой за слоем Коллаген осаждения в микрофлюидных Устройства для стабилизации Microtissue

Although microfluidics provides exquisite control of the cellular microenvironment, culturing cells within microfluidic devices can be challenging. 3D ...

An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

Экспериментальный и конечные элементы протокол по расследованию транспорта нейтральных и заряженных растворенных веществ через суставной хрящ

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular ...

3D Magnetic Stem Cell Aggregation and Bioreactor Maturation for Cartilage Regeneration

3D Magnetic Stem Cell Aggregation и биореактор Созревание для регенерации хряща

Cartilage engineering remains a challenge due to the difficulties in creating an in vitro functional implant similar to the native tissue. An approach ...

Fabrication and Characterization of Griffithsin-modified Fiber Scaffolds for Prevention of Sexually Transmitted Infections

Изготовление и характеристика Griffithsin модифицированные волокна подмости для профилактики передающихся половым

Electrospun fibers (EFs) have been widely used in a variety of therapeutic applications; however, they have only recently been applied as a technology to ...

Fabrication and Characterization of Optical Tissue Phantoms Containing Macrostructure

Изготовление и характеристика фантомы оптических ткани, содержащие макроструктуры

The rapid development of new optical imaging techniques is dependent on the availability of low-cost, customizable, and easily reproducible standards. By ...

Fabrication of Decellularized Cartilage-derived Matrix Scaffolds

Изготовление подмостей Decellularized хряща производные матрица

Osteochondral defects lack sufficient intrinsic repair capacity to regenerate functionally sound bone and cartilage tissue. To this extent, cartilage ...