Cell reactions to the degradation of Mg-based materials : chondrogenic differentiation

Abstract

Bone growth in children is regulated by cartilaginous areas named growth plates, which are vulnerable to damage. Implant application and removal can cause damage of those areas and generate irreversible bone malformations. Biodegradable magnesium (Mg)-based materials are a potential alternative to permanent implants, avoiding implant removal. Nevertheless effects of those materials on growth plate cartilage need to be evaluated. In vitro chondrogenic differentiation of human umbilical cord perivascular (HUCPV) stem cells and ATDC5 chondrogenic cell line was evaluated under the influence of pure Mg (Mg), Mg with 10 wt% of gadolinium (Mg-10Gd) and Mg with 2 wt% of silver (Mg-2Ag) extracts. Specifically, gene expression, cell growth, morphology and extracellular matrix (ECM) production were studied after seven, 14 and 21 days. Additionally, proteomic studies allowed the identification of proteins regulated under the influence of the extracts. After seven days of direct culture on the materials, cell growth, distribution and ECM synthesis were investigated, together with the composition of the resulting degradation layer on the materials. Results indicated that the three materials have chondrogenic potential, being stronger in Mg-10Gd, which induced chondrocyte maturation or hypertrophy. Cell coverage and ECM production in direct contact with the samples was influenced by the homogeneity of the degradation layer, being higher in Mg-10Gd and Mg-2Ag than in Mg samples. Furthermore, chondrogenesis of cells in direct contact with the materials was enhanced with both HUCPV and ATDC5 cells. This study confirmed the tolerance of cells involved in bone growth to Mg-based materials, which shows its possible potential for treating children´s fractures.

Das Knochenwachstum bei Kindern wird in knorpeligen Bereichen reguliert, die als Wachstumsplatten bezeichnet werden und anfällig für Schäden sind. Das Einfügen und Entfernen von Implantaten kann zu Schäden und irreversible Knochenfehlbildungen in diesen Bereichen führen. Biologisch abbaubare Magnesium (Mg)-basierte Materialien sind eine potentielle Alternative zu permanenten Implantaten, um eine Implantatentfernung zu umgehen. Allerdings müssen dafür zunächst mögliche negative Effekte dieser Materialien auf den Wachstumsplattenknorpel bewertet werden. Die chondrogene Differenzierung von perivaskulären Stammzellen der menschlichen Nabelschnur (HUCPV) und von einer chondrogenen Zelllinie (ATDC5) wurde in vitro unter dem Einfluss von Extrakten aus reinem Mg (Mg), Mg mit 10 % Gadolinium (Mg-10Gd) und Mg mit 2 % Silber (Mg-2Ag) - untersucht. Nach 7, 14 und 21 Tagen wurde die Genexpression, das Zellwachstum, die Morphologie und die extrazelluläre Matrix (EZM)-Produktion bewertet. Zusätzlich erlaubten Massenspektrometrie Studien die Identifizierung von Proteinen, die unter dem Einfluss der Extrakte reguliert wurden. Bei der direkter Kultur auf den Materialien wurden nach 7 Tagen das Zellwachstum, die Verteilung der Zellen und die EZM-Synthese zusammen mit der Zusammensetzung der Abbauprodukte auf der Oberflächenschicht der Materialien untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die drei Mg-Materialien ein chondrogenes Potential aufweisen. Bei Mg-10Gd ist dieses am stärksten, da eine Chondrozytenreifung oder Hypertrophie induziert wurde. Die Zellabdeckung und die EZM-Produktion in direktem Kontakt mit den Proben wurde durch die Homogenität der Degradationsschicht beeinflusst, die bei Mg-10Gd und Mg-2Ag höher war als bei Mg-Proben. Weiterhin wurde durch direkten Kontakt mit den Materialien sowohl bei HUCPV als auch ATDC5-Zellen die Chondrogenese der Zellen verstärkt. Diese Studie bestätigt die Toleranz der am Knochenwachstum beteiligten Zellenfür Mg-basierte Materialien was ein mögliches Potenzial für die Behandlung von Frakturen bei Kindern zeigt.