Development of Method for Three-Dimensional Cultivation of Human Mesenchymal Stem/Stromal Cells Using Cellulose Scaffolds

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The development of methods for culturing cells in three-dimensional systems is an urgent focus of modern cell biology. When cultured in the 3D system, a tissue-specific architecture is reproduced and the real microenvironment and cell behavior in vivo are more precisely recreated. Human mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) are typically isolated and cultured as a monolayer 2D culture. In this work, we developed a method for three-dimensional cultivation and tissue-specific decidual differentiation of MSCs isolated from human endometrial tissue using a matrix derived from decellularized apple. Decellularized apple matrices have sufficient mechanical strength, are biocompatible, accessible, easy to use, and have ample scope for surface modification. This cell culture system is suitable for both confocal microscopy and flow cytometry studies. The model we developed can become the basis for the creation of new cell products and tissue-engineering structures in the field of regenerative biomedicine.

About the authors

I. K. Kuneev

Institute of Cytology, Russian Academy of Sciences

Email: aldomnina@mail.ru
Russia, 194064, Saint Petersburg

J. S. Ivanova

Institute of Cytology, Russian Academy of Sciences

Email: aldomnina@mail.ru
Russia, 194064, Saint Petersburg

Y. A. Nashchekina

Institute of Cytology, Russian Academy of Sciences

Email: aldomnina@mail.ru
Russia, 194064, Saint Petersburg

E. K. Patronova

Institute of Cytology, Russian Academy of Sciences

Email: aldomnina@mail.ru
Russia, 194064, Saint Petersburg

A. V. Sokolova

Institute of Cytology, Russian Academy of Sciences

Email: aldomnina@mail.ru
Russia, 194064, Saint Petersburg

A. P. Domnina

Institute of Cytology, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: aldomnina@mail.ru
Russia, 194064, Saint Petersburg

References

  1. Домнина А.П., Новикова П.В., Фридлянская И.И., Шилина М.А., Зенин В.В. Никольский Н.Н. 2015. Индукция децидуальной дифференцировки в эндометриальных мезенхимных стволовых клетках. Цитология. Т. 57. № 12. С. 880. (Domnina A.P., Novikova P.V., Fridlyanskaya I.I., Shilina M.A., Zenin V.V., Nikolsky N.N. 2016. Induction of decidual differentiation of endometrial mesenchymal stem cells. Tsitologiya. V. 57. № 12. P. 880.)
  2. Земелько В.И., Гринчук Т.М., Домнина А.П., Арцыбашева И.В., Зенин В.В., Кирсанов А.А., Бичевая Н.К., Корсак В.С., Никольский Н.Н. 2011. Мультипотентные мезенхимные стволовые клетки десквамированного эндометрия. Выделение, характеристика и использование в качестве фидерного слоя для культивирования эмбриональных стволовых линий человека. Цитология. Т. 53. № 12. С. 919. (Zemelko V.I., Grinchuk T.M., Domnina A.P., Artzibasheva I.V., Zenin V.V., Kirsanov A.A., Bichevaia N.K., Korsak V.S., Nikolsky N.N. 2012. Multipotent mesenchymal stem cells of desquamated endometrium: isolation, characterization and use as feeder layer for maintenance of human embryonic stem cell lines. Cell Tiss. B-iol. (Tsitologiya). V. 6. P. 1.)
  3. Мусина Р.А., Белявский А.В., Тарусова О.В., Соловьева Е.В., Сухих Г.Т. 2008. Мезенхимные стволовые клетки эндометрия, полученные из менструальной крови. Кл. техн. биол. мед. Т. 2. С. 110. (Musina R.A., Tarusova O.V., Solovyova E.V., Sukhikh G.T., Belyavski A.V. 2008. Endometrial mesenchymal stem cells isolated from the menstrual blood. V. 145. P. 539)
  4. Bartosh T.J., Ylostalo J.H. 2019. Efficacy of 3D culture priming is maintained in human mesenchymal stem cells after extensive expansion of the cells. Cells. V. 8. P. 1031. https://doi.org/10.3390/cells8091031
  5. Baruffaldi D., Palmara G., Pirri C., Frascella F. 2021. 3D cell culture: recent development in materials with tunable stiffness. ACS Applied Bio Materials. V. 4. P. 2233. https://doi.org/10.1021/acsabm.0c01472
  6. Bilirgen A.C., Toker M., Odabas S., Yetisen A. K., Garipcan B., Tasoglu S. 2021. Plant-based scaffolds in tissue engineering. ACS Biomat. Sci. Eng. V. 7. P. 926. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.0c01527
  7. Bou-Ghannam S., Kim K., Grainger D.W. 2021. 3D cell sheet structure augments mesenchymal stem cell cytokine production. Sci Rep. V. 11. P. 8170. https://doi.org/10.1038/s41598-021-87571-7
  8. Chen G., Qi Y., Niu L., Di T., Zhong J., Fang T., Yan W. 2015. Application of the cell sheet technique in tissue engineering. Biomed. Rep. V. 3. P. 749. https://doi.org/10.3892/br.2015.522
  9. Cherng J.-H., Chou S.-C., Chen C.-L., Wang Y.-W., Chang S.-J., Fan G.-Y., Leung F.-S., Meng E. 2021. Bacterial cellulose as a potential bio-scaffold for effective re-epithelialization. Therapy Pharmaceutics. V. 13. P. 1592. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13101592
  10. Domnina A.P., Ivanova J.V., Alekseenko L.L., Kozhukharova I.V., Borodkina A.V., Pugovkina N.A., Smirnova I.S., Lyublinskaya O.G., Fridlyanskaya I.I., Nikolsky N.N. 2020. Three-dimensional compaction switches stress response programs and enhances therapeutic efficacy of endometrial mesenchymal stem/stromal cells. Front. Cell Devel. B-iol. V. 8. P. 473. https://doi.org/10.3389/fcell.2020.00473
  11. Domnina A.P., Novikova P.V., Obidina J.I., Fridlyanskaya I.I, Alekseenko L.L., Kozhukharova I.V., Lyublinskaya O.G., Zenin V.V., Nikolsky N.N. 2018. Human mesenchymal stem cells in spheroids improve fertility in model animals with damaged endometrium. Stem Cell Res. Ther. V. 9. P. 1. https://doi.org/10.1186/s13287-018-0801-9
  12. Gargett C.E., Masuda H. 2010. Adult stem cells in the endometrium. Mol. Hum. Reprod. V. 16. P. 818. https://doi.org/10.1093/molehr/gaq061
  13. Gorgieva S., Trček J. 2019. Bacterial cellulose: production, modification and perspectives in biomedical applications. Nanomaterials. V. 9. P. 1352. https://doi.org/10.3390/nano9101352
  14. Guruswamy Damodaran R., Vermette P. 2018. Tissue and organ decellularization in regenerative medicine. Biotech. Progress. V. 34. P. 1494. https://doi.org/10.1002/btpr.2699
  15. Haycock J.W. 2011. 3D cell culture: a review of current approaches and techniques. Methods Mol. Biol. V. 695. P. 1. https://doi.org/10.1007/978-1-60761-984-0_1
  16. Husein K.S., Thiemermann C. 2010. Mesenchymal stromal cells: current understanding and clinical status. Stem Cells. V. 28. P. 585. https://doi.org/10.1002/stem.269
  17. Jauković A., Abadjieva D., Trivanović D. 2020. Specificity of 3D msc spheroids microenvironment: impact on msc behavior and properties. Stem Cell Rev. Rep. V. 16. P. 853. https://doi.org/10.1007/s12015-020-10006-9
  18. Jensen C., Teng Y. 2020. Is it time to start transitioning from 2d to 3d cell culture? Front. Mol. Biosci. V. 7. P. 33. https://doi.org/10.3389/fmolb.2020.00033
  19. Kouroupis D., Correa D. 2021. Increased mesenchymal stem cell functionalization in three-dimensional manufacturing settings for enhanced therapeutic applications. Front. Bioeng. Biotechnol. V. 9. P. 621748. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.621748
  20. Langhans S.A. 2018. Three-dimensional in vitro cell culture models in drug discovery and drug repositioning. Front. Pharmacol. V. 9. P. 6. https://doi.org/10.3389/fphar.2018.00006
  21. Lee J., Jung H., Park N. 2019. Induced osteogenesis in plants decellularized scaffolds. Sci. Rep. V. 9. P. 20194. https://doi.org/10.1038/s41598-019-56651-0
  22. Lyublinskaya O.G., Ivanova J.S., Pugovkina N.A., Kozhukharova I.V., Kovaleva Z.V., Shatrova A.N., Aksenov N.D., Zenin V.V., Kaulin Y.A., Gamaley I.A., Nikolsky N.N. 2017. Redox environment in stem and differentiated cells: a quantitative approach. Redox Biol. V. 12. P. 758. https://doi.org/10.1016/j.redox.2017.04.016
  23. Meng X., Ichim T.E., Zhong J., Rogers A., Yin Z., Jackson J., Wang H., Ge W., Bogin V., Chan K.W., Thébaud B., Riordan N.H. 2007. Endometrial regenerative cells: a novel stem cell population. J. Transl. Med. V. 5. P. 57. https://doi.org/10.1186/1479-5876-5-57
  24. Modulevsky D.J., Cuerrier C.M., Pelling A.E. 2016. Biocompatibility of subcutaneously implanted plant-derived cellulose biomaterials. PLoS One. V. 11. P. e0157894. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0157894
  25. Modulevsky D.J., Lefebvre C., Haase K., Al-Rekabi Z., Pelling A.E. 2014. Apple derived cellulose scaffolds for 3D mammalian cell culture. PLos One. V. 9. P. e97835. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0097835
  26. Patel A.N., Park E., Kuzman M., Benetti F., Silva F.J., Allickson J.G. 2008. Multipotent menstrual blood stromal stem cells: isolation, characterization, and differentiation. Cell Transplant. V. 17. P. 303. https://doi.org/10.3727/096368908784153922
  27. Phan N.V., Wright T., Rahman M.M., Xu J., Coburn J.M. 2020. In vitro biocompatibility of decellularized cultured plant cell derived matrices. ACS Biomater. Sci. Eng. V. 6. P. 822. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.9b00870
  28. Svensson A., Nicklasson E., Harrah T., Panilaitis B., Kaplan D.L., Brittberg M., Gatenholm P. 2005. Bacterial cellulose as a potential scaffold for tissue engineering of cartilage. Biomaterials. V. 26. P. 419. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.02.049
  29. Hu Xinqiang, Xia Zengzilu, Cai Kaiyong. 2022. Recent advances in 3D hydrogel culture systems for mesenchymal stem cell-based therapy and cell behavior regulation. J. Mater. Chem. B. V. 10. P. 1486. https://doi.org/10.1039/D1TB02537F
  30. Zack G.W., Rogers W.E., Latt S.A. 1977. Automatic measurement of sister chromatid exchange frequency. J. Histochem. Cytochem. V. 25. P. 741. https://doi.org/10.1177/25.7.70454

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (1MB)
3.

Download (2MB)
4.

Download (915KB)
5.

Download (1MB)
6.

Download (294KB)
7.

Download (840KB)
8.

Download (891KB)

Copyright (c) 2023 И.К. Кунеев, Ю.С. Иванова, Ю.А. Нащекина, Е.К. Патронова, А.В. Соколова, А.П. Домнина

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».