Comparative Effects of Physical and Chemical Hypoxia Preconditioning on Chondrogenic Differentiation of Porcine Mesenchymal Stem Cells = 물리적 및 화학적 저산소 전처리가 돼지 중간엽 줄기세포의 연골분화에 미치는 영향 비교

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Mesenchymal stem cell (MSC) therapy shows significant potential as a treatment for cartilage regeneration. However, the limited chondrogenic capacity of MSCs hinders the complete regeneration of hyaline cartilage and the effective treatment of osteoarthritis. Physical and chemical hypoxia preconditioning methods (hypoxia incubation and cobalt (II) chloride (CoCl₂)) are known to improve the chondrogenic potential of human MSCs; however, their effects on the chondrogenic differentiation of porcine MSCs (pMSCs) remain elusive. This study aimed to evaluate the effects of hypoxic preconditioning on the chondrogenic differentiation of pMSCs to assess their potential utility in preclinical cartilage regeneration models. In porcine Wharton’s jelly-derived mesenchymal stem cells (WJ-MSCs) and adipose-derived stem cells (ADSCs), the hypoxia-preconditioned groups demonstrated a more pronounced upregulation of chondrogenic markers compared to control groups. In WJ-MSCs, Alcian blue staining revealed enhanced Glycosaminoglycans (GAGs) deposition under physical hypoxia (5% O₂), whereas chemical hypoxia (100 μM and 200 μM CoCl₂) did not show an increase compared with the normoxic group. In ADSCs, GAGs accumulation was enhanced in both physical and chemical hypoxia-pretreated groups compared with the untreated controls. In conclusion, the results support the translational potential of physical and chemical hypoxia preconditioning as chondrogenic enhancers in large-animal models and provide a foundation for future in vivo cartilage repair studies.

국문 초록 (Abstract)

중간엽 줄기세포(MSC) 치료는 연골 재생을 위한 치료법으로써 상당한 잠재력을 보여준다. 하지만 MSC의 제한된 연골분화 능력은 유리연골의 완전한 재생과 골관절염의 효과적인 치료를 저해한다. 물리적 및 화학적 저산소 전처리(저산소 배양 및 CoCl₂)는 인간 MSC의 연골분화능을 향상시키는 것으로 보고되었으나, 이러한 저산소 전처리가 돼지 MSC의 연골분화에 미치는 영향은 아직 명확히 밝혀지지 않았다. 본 연구는 돼지 MSC의 연골분화에 대한 저산소 전처리의 효과를 평가하여 전임상 연골재생 모델에서의 적용 가능성을 고찰하는 것을 목표로 하였다. 돼지 와튼 젤리 유래 중간엽 줄기세포(WJ-MSC) 및 지방 유래 줄기세포(ADSC) 경우, 저산소 전처리군에서 대조군에 비해 더 뚜렷한 연골분화 마커의 상향조절이 관찰되었다. WJ-MSC에서는 Alcian blue 염색 결과 물리적 저산소 조건(5% O₂)에서 글리코사미노글리칸 (GAGs) 침착이 증가하였으나, 화학적 저산소 조건(100 μM 및 200 μM CoCl₂)에서는 정상 산소 조건군과 비교하여 뚜렷한 증가가 관찰되지 않았다. 반면, ADSC는 물리적 및 화학적 저산소 조건 모두에서 GAGs 침착이 대조군에 비해 유의하게 증가하였다. 결론적으로, 본 연구는 물리적 및 화학적 저산소 전처리가 대동물 모델에서 MSC의 연골 형성을 촉진하는 효과적인 방법이 될 수 있음을 보여주며, 향후 생체 내 연골 재생 연구를 위한 기초를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• List of Tables ⅱ
• List of Figures ⅲ
• ABSTRACT ⅳ
• Ⅰ. Introduction 1
• Ⅱ. Materials and Methods 4
• 2.1. Extraction and culture of pMSCs 4
• 2.2. Osteogenic, Chondrogenic, and Adipogenic Differentiation and Staining 4
• 2.3. Flow cytometry 5
• 2.4. Cell counting kit-8 (CCK-8) analysis 6
• 2.5. RNA isolation and RT-qPCR 6
• 2.6. Hypoxia preconditioning and chondrogenic differentiation 6
• 2.7. Alcian blue staining 7
• 2.8. Data analysis 7
• Ⅲ. Results 9
• 3.1. Characterization of porcine WJ-MSCs and ADSCs 9
• 3.2. Assessment of toxicity of CoCl2 on WJ-MSCs and ADSCs 11
• 3.3. Treatment of CoCl2 and physical hypoxia upregulates HIF-1α downstream genes 13
• 3.4. Hypoxia preconditioning enhances chondrogenic marker expression in WJ-MSCs and ADSCs 15
• 3.5. The effect of CoCl2 treatment and physical hypoxia on the chondrogenic potential in WJ-MSCs and ADSCs 17
• Ⅳ. Discussion 19
• References 22
• Abstract (in Korean) 25