Impact of graphene-based surfaces on the basic biological properties of human umbilical cord mesenchymal stem cells : implications for ex vivo cell expansion aimed at tissue repair

The potential therapeutic applications of mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) and biomaterials have attracted a great amount of interest in the field of biomedical engineering. MSCs are multipotent adult stem cells characterized as cells with specific features, e.g., high differentiation potential, low immunogenicity, immunomodulatory properties, and efficient in vitro expansion ability. Human umbilical cord Wharton’s jelly-derived MSCs (hUC-MSCs) are a new, important cell type that may be used for therapeutic purposes, i.e., for autologous and allogeneic transplantations. To improve the therapeutic efficiency of hUC-MSCs, novel biomaterials have been considered for use as scaffolds dedicated to the propagation and differentiation of these cells. Nowadays, some of the most promising materials for tissue engineering include graphene and its derivatives such as graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO). Due to their physicochemical properties, they can be easily modified with biomolecules, which enable their interaction with different types of cells, including MSCs. In this study, we demonstrate the impact of graphene-based substrates (GO, rGO) on the biological properties of hUC-MSCs. The size of the GO flakes and the reduction level of GO have been considered as important factors determining the most favorable surface for hUC-MSCs growth. The obtained results revealed that GO and rGO are suitable scaffolds for hUC-MSCs. hUC-MSCs cultured on: (i) a thin layer of GO and (ii) an rGO surface with a low reduction level demonstrated a viability and proliferation rate comparable to those estimated under standard culture conditions. Interestingly, cell culture on a highly reduced GO substrate resulted in a decreased hUC-MSCs proliferation rate and induced cell apoptosis. Moreover, our analysis demonstrated that hUC-MSCs cultured on all the tested GO and rGO scaffolds showed no alterations of their typical mesenchymal phenotype, regardless of the reduction level and size of the GO flakes. Thus, GO scaffolds and rGO scaffolds with a low reduction level exhibit potential applicability as novel, safe, and biocompatible materials for utilization in regenerative medicine

The influence of graphene oxide on biological and functional properties of human mesenchymal stem cells in vitro

Terapie wykorzystujące komórki macierzyste (KM) stwarzają ogromne nadzieje w leczeniu wielu jednostek chorobowych, w tym chorób serca i układu krążenia. Jednym z obiecujących rodzajów KM, są mezenchymalne komórki macierzyste pozyskiwane z galarety Whartona sznura pępowinowego (ang. human Wharton’s jelly umbilical cord-derived mesenchymal stem/stromal cells; hUC-MSCs). W celu wydajnej regeneracji, obecnie inżynieria biomateriałowa stosuje wiele rodzajów rusztowań hodowlanych, które w łatwy sposób mogą wspomagać funkcje biologiczne KM, w tym indukować ich różnicowanie. Spośród dostępnych nanomateriałów, obiecującym okazał się być grafen oraz jego pochodne, w szczególności tlenek grafenu (z ang. graphene oxide, GO). Celem niniejszej pracy było zbadanie wpływu tlenku grafenu (GO) na właściwości biologiczne i funkcjonalne komórek hUC-MSCs w warunkach in vitro. W pierwszej kolejności oceniono biokompatybilność podłoży opartych o GO, o zróżnicowanej wielkości płatków grafenowych, otrzymywanych z zawiesin wodnych i etanolowych. W tym celu przeprowadzono analizę tempa proliferacji i żywotności komórek hUC-MSCs w warunkacj in vitro. Na podstawie otrzymanych wyników, wyselekcjonowano najbardziej biozgodne podłoża GO. Następnie oceniono fenotyp, oraz przebieg cyklu komórkowego komórek hUC-MSCs po hodowli na wybranych podłożach GO oraz ich adhezję do tych podłoży. Zbadano również zdolność GO do indukcji procesu różnicowania hUC-MSCs w kierunku kardiomiocytów oraz komórek śródbłonka naczyniowego in vitro. Z przeprowadzonych badań wynika, iż podłoża hodowlane oparte o małe płatki GO, mogą wykazywać właściwości cytotoksyczne w stosunku do hUC-MSCs. Natomiast, w przypadku dużych oraz bardzo dużych płatków GO (wielkości płatków odpowiednio: powyżej 10 µm z zawiesiny etanolowej oraz 100 µm z zawiesiny wodnej) stanowią one biozgodne rusztowanie do hodowli komórek hUC-MSCs in vitro. Nie wykazują bowiem wpływu na fenotyp oraz przebieg cyklu komórkowego hUC-MSC, natomiast wspomagają ich adhezję do podłoża hodowlanego. Co ciekawe, podłoża GO o dużych płatkach mogą promować różnicowanie hUC-MSCs w kierunku komórek tkanki serca, w tym kardiomiocytów oraz komórek śródbłonka naczyniowego w warunkach in vitro. Przeprowadzone badania wskazują, iż rusztowania oparte o GO stanowią obiecujący materiał wspomagający potencjał regeneracyjny hUC-MSCs, a w przyszłości mogą przyczynić się do opracowania nowych, skutecznych terapii stosowanych w regeneracji tkanki serca.Stem cell-based therapy has emerged as a promising strategy for improving cardiac regeneration. In particular, human Wharton’s jelly umbilical cord-derived mesenchymal stem cells (hUC-MSCs) represent an interesting cell fraction for stem cell-based therapies. To improve therapeutic efficiency of hUC-MSCs, novel biomaterials are considered as scaffolds that are able to promote stem cell growth and differentiation. Among the various biomaterials, graphene and its derivatives, particularly graphene oxide (GO), have been increasingly explored. In this study, the impact of GO-based scaffolds on biological and functional properties of hUC-MSCs was investigated in vitro. Firstly, the biocompatibility of different size of GO flakes as well as different solvents of GO (water or ethanol) was evaluated. Based on the results of proliferation and viability tests in vitro, the most biocompatible substrates were selected. Next, the influence of GO substrate on hUC-MSCs phenotype, cell cycle activity and adhesion were also determined. Finally, the impact of GO scaffolds on the differentiation potential of hUC-MSCs towards cardiomyocytes and vascular endothelial cells was analysed in vitro. It was found that small flakes of GO could exhibit cytotoxic effect on hUC-MSCs. In contrast, GO scaffolds based on large and very large flakes (flakes’ size more than 10 µm dispersed in ethanol and 100 µm dispersed in water, respectively) do not affect cell proliferation and survival and may be utilized as suitable substrates for cell propagation in vitro. The results also revealed that these substrates do not impact on hUC-MSCs phenotype, cell cycle progression and strongly improve their adhesion. Furthermore, such GO-based scaffolds could promote cardiomyogenic and angiogenic differentiation capacity of hUC-MSCs in in vitro conditions.Thus, the study indicated that GO-based scaffolds represent promising materials supporting regenerative potential of hUC-MSCs. Moreover, they may contribute to development of new, effective therapeutic strategies for heart regeneration in the future

Examining of basic biological properties of human mesenchymal stem cells cultured in presence of graphene oxide in vitro

Choroby związane z dysfunkcją układu sercowo-naczyniowego, są jedną z głównych przyczyn śmierci na świecie. W celu zwiększania skuteczności stosowanych obecnie terapii komórkowych w leczeniu powikłań powstałych po uszkodzeniu tkanki serca, podejmowane są próby wykorzystania osiągnięć inżynierii tkankowej, łączącej zastosowanie komórek macierzystych i podłoży biokompozytowych. Obecnie, wykorzystuje się wiele rodzajów podłoży do hodowli komórkowych. Wśród nich, na szczególną uwagę zasługują nanomateriały węglowe, takie jak grafen oraz jego pochodne. Celem pracy było zbadanie podstawowych właściwości biologicznych ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych pochodzących z galarety Whartona (hUC-MSCs) hodowanych na podłożach opartych o tlenek grafenu (GO) w warunkach in vitro. Wpływ podłoży hodowlanych opartych o GO (w zależności od stężenia i wielkości płatków) na morfologię i wzrost komórek hUC-MSCs oceniono przeprowadzając test proliferacji. Do oceny fenotypu hUC-MSCs, posłużono się techniką cytometrii przepływowej. Stopień apoptozy hUC-MSCs zbadano wykorzystując test wiązania Aneksyny V. Kontrolę stanowiły komórki hodowane na standardowym podłożu plastikowym. Obserwacja morfologiczna wykazała brak istotnych różnic pomiędzy morfologią hUC-MSCs hodowanych na podłożach opartych o GO, a komórkach hodowanych w warunkach kontrolnych. Dodatkowo, analiza cytometryczna dowiodła, że nie doszło do zmiany fenotypu hUC-MSC. Zaobserwowano wysoki poziom antygenów CD105 i CD90, przy jednoczesnym niskim poziomie CD45. Wyniki testu proliferacji i apoptozy wykazały, iż podłoża GO o stężeniu ≤ 120μg/ml nie są toksyczne dla komórek hUC-MSCs. Z drugiej jednak strony, na podłożach GO o stężeniu ≥ 300μg/ml zaobserwowano obniżenie tempa proliferacji oraz zwiększenie poziomu apoptozy hUC-MSCs, przy czym efekt ten był niezależny od wielkości płatków GO. Prezentowane w ramach pracy licencjackiej badania pokazały, iż GO o stężeniu ≤ 120μg/ml stanowi nieszkodliwe podłoże do hodowli komórek hUC-MSCs oraz nie wpływa znacząco na ich podstawowe właściwości biologiczne.Cardiovascular diseases are one of the most frequent cause of death worldwide. Novel cardiac tissue engineering techniques involves the utilisation of mesenchymal stem cells supported by biocomposites. One of the promising materials appropriate for use as a natural scaffold is graphene and their derivatives such as graphene oxide (GO).The aim of the study was to compared the influence of GO scaffolds on biological properties of mesenchymal stem cells isolated from Wharton’s jelly (hUC-MSCs) in in vitro conditions. The influence of different concentrations and size of GO flakes on morphology and proliferation rate of hUC-MSCs were examined by proliferation test. The hUC-MSCs phenotype was analysed by flow cytometry. The apoptosis was determined using Annexin V Apoptosis Kits. Standard culture conditions (plastic plate) were used as a control. The analysis of hUC-MSCs morphology revealed no difference between the cells cultured on GO and the control plate. Flow cytometry analysis showed that culture on GO scaffolds did not change the level of expression of the mesenchymal markers. High level of CD105 and CD90 were determined simultaneously low level of CD45 was observed. The results of proliferation and apoptosis test demonstrated that the GO flakes at concentrations less than 120 μg/ml are not harmful to hUC-MSCs culture. On the other hand the dose more than 300 ug/ml exhibited decreased proliferation rate and induced cell apoptosis. In this study no influence of size of GO flakes was observed. The obtained results suggested that GO based scaffolds used in concentration less than 120 μg/ are not harmful to hUC-MSCs culture and does not significantly affect their basic biological properties