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- 저자 : Si-eun Moon (검색결과 1 건)
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Pressure-Induced Osteoblast Differentiation in Mesenchymal Stem Cells Using Agarose gel
Si-eun Moon 고려대학교 KU-KIST융합대학원 2025 국내석사
기계적 자극은 중간엽 줄기세포의 운명 결정과 골분화에 있어 핵심적인 역할을 하며, 특히 압력 자극은 골조직 환경에서 발생하는 주요한 생리적 자극 중 하나이다. 이에 따라 압력 자극을 통해 중간엽 줄기세포를 골모세포로 분화시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 기존의 압축 시스템은 자극의 비균일성, 지지체의 물성에 의한 간섭, 낮은 재현성, 자극 후 분석의 불편함 등의 한계를 지닌다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 2D 배양 환경에서 세포에 직접적인 압력 자극을 가할 수 있는 ‘pressing gel device’를 개발하였다. 본 device는 저비용의 아가로스 하이드로겔을 압축 매체로 사용하며, 가교제나 화학적 처리 없이 단순한 온도 제어만으로 겔레이션이 가능하여 세포 생존성에 대한 생화학적 영향을 최소화한다. 또한 세포에 균일하게 직접 압축을 가할 수 있으며, 자극 종료 후 즉시 분석이 가능하여 실험적 접근성과 재현성을 크게 향상시켰다. 해당 device를 통해 중간엽 줄기세포에 압력 자극을 부여하고, ALP 활성도, 칼슘 침착, 형광 염색, qRT-PCR 등의 분석을 수행한 결과, 골분화와 관련된 다양한 유전자 및 단백질 마커들의 발현이 유의미하게 증가함을 확인하였다. 이는 물리적 압축 자극만으로도 중간엽 줄기세포의 골분화를 효과적으로 유도할 수 있음을 시사한다. 따라서 본 연구에서 개발된 pressing gel device는 기계적 자극에 의한 생물학적 반응을 평가할 수 있는 유용한 플랫폼으로, 향후 기계생물학 기반 조직 재생 및 골 재생 치료 전략에 있어 높은 응용 가능성과 임상적 전환 가능성을 지닌다. Mechanical stimulation plays a critical role in the fate determination and osteogenic differentiation of Mesenchymal Stem Cells (MSCs). Among various types of mechanical stimuli, compression is one of the primary physiological cues present in the bone tissue environment. Accordingly, extensive research has been conducted to induce osteoblast differentiation of MSCs through compression. However, conventional compression systems have faced several limitations, including non-uniformity force distribution, interference from scaffold material properties, low reproducibility, and inconvenience in post-stimulation analysis. In this study, to overcome these limitations, we developed a custom-designed ‘pressing gel device’ capable of applying direct compression to cells in a two-dimensional (2D) culture environment. This device utilizes low-cost agarose hydrogel as a compression medium, which enables gelation through simple temperature control without the need for crosslinkers or chemical treatments, thereby minimizing biochemical effects on cell viability. Furthermore, it allows for uniform and direct compression to be applied to cells, and immediate analysis is possible upon removal of the stimulus, greatly improving experimental accessibility and reproducibility. Using this device, compression was applied to MSCs, and various analyses including ALP activity assay, calcium deposition, fluorescence staining, and quantitative Real-Time Polymerase Chain Reaction (qRT-PCR) were performed. As a result, the expression of multiple gene and protein associated with osteogenic differentiation was significantly upregulated after compression conditions. This indicates that physical compression alone can effectively induce osteogenic differentiation of MSCs. Therefore, the pressing gel device developed in this study serves as a useful platform for evaluating biological responses to mechanical stimulation and holds strong potential for application in future mechanobiology-based tissue regeneration and bone repair strategies, as well as for clinical translation.
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