Periosteum and periosteum-derived progenitor cells have demonstrated the potential for stimulative applications in repairs of various musculoskeletal tissues. It has been found that the periosteum contains mesenchymal progenitor cells capable of differentiating into either osteoblasts or chondrocytes depending on the culture conditions. Anatomically, the periosteum is a heterogeneous multi-layered membrane, consisting of an inner cambium and an outer fibrous layer. The present study was designed to elucidate the cellular phenotypic characteristics of cambium and fibrous layer cells in vitro, and to assess whether structural integrity of the tendon in the bone tunnel can be improved by periosteal augmentation of the tendonbone interface. It was found the cells from each layer showed distinct phenotypic characteristics in a primary monolayer culture system. Specifically, the cambium cells demonstrated higher osteogenic characteristics (higher alkaline phosphatase and osteocalcin levels), as compared to the fibrous cells. Also in vivo animal model showed that a periosteal augmentation of a tendon graft could enhance the structural integrity of the tendon-bone interface, when the periosteum is placed between the tendon and bone interface with the cambium layer facing toward the bone. These findings suggest that extra care needs to be taken in order to identify and maintain the intrinsic phenotypes of the heterogeneous cell types within the periosteum. This will improve our understanding of periosteum in applications for musculoskeletal tissue repairs and tissue engineering.
Periosteum-derived progenitor cells (PDPCs) were isolated using a fluorescence-activated cell sorter and their chondrogenic potential in biomaterials was investigated for the treatment of defective articular cartilage as a cell therapy. The chondrogenesis of PDPCs was conducted in a thermoreversible gelation polymer (TGP), which is a block copolymer composed of temperature-responsive polymer blocks such as poly(N-isopropylacrylamide) and of hydrophilic polymer blocks such as polyethylene oxide, and a defined medium that contained transforming growth $factor-{\beta}3\;(TGF-{\beta}3)$. The PDPCs exhibited chondrogenic potential when cultured in TGP. As the PDPCs-TGP is an acceptable biocompatible complex appropriate for injection into humans, this product might be readily applied to minimize invasion in a defected knee.
Purpose: The periosteum is a well-known source of osteogenic precursor cells for tissue-engineered bone formation. However, cultured endothelial or endothelial-like cells derived from periosteum have not yet been investigated. This study focused on endothelial-like cell culture from the periosteum. Methods: Periosteal tissues were harvested from the mandible during surgical extraction of lower impacted third molars. The tissues were treated with 0.075% type I collagenase in phosphate-buffered saline (PBS) for 1 hr at $37^{\circ}C$ to release cellular fractions. The collagenase was inactivated with an equal volume of DMEM/10% fetal bovine serum (FBS) and the infranatant was centrifuged for 10 min at 2,400 rpm. The cellular pellet was filtered through a $100{\mu}m$ nylon cell strainer, and the filtered cells were centrifuged for 10 min at 2,400 rpm. The resuspended cells were plated into T25 flasks and cultured in endothelial cell basal medium (EBM)-2. Results: Among the hematopoietic markers, CD146 was more highly expressed than CD31 and CD34. The periosteal-derived cells also expressed CD90 and CD166, mesenchymal stem cell markers. Considering that the expression of CD146 was constant and that the expression of CD90 was lower at passage 5, respectively, the CD146 positive cells in passage 5 were isolated using the magnetic cell sorting (MACS) system. These CD146 sorted, periosteal-derived cells formed tube-like structures on Matrigel. The uptake of acetylated, low-density lipoprotein, labeled with 1,1'-dioctadecyl-3,3,3',3'-tetramethylindocarbocyanine perchlorate (DiI-Ac-LDL) was also examined in these cells. Conclusion: These results suggest that the CD146-sorted positive cells can be referred to as periosteal-derived CD146 positive endothelial-like cells. In particular, when a co-culture system with endothelial and osteoblastic cells in a three-dimensional scaffold is used, the use of periosteum as a single cell source would be strongly beneficial for bone tissue engineering.
In order to enhance the repair of defects in articular cartilage via cell therapy with autologous chondrocytes, as well as with periosteum-derived progenitor cells (PDPCs), silkworm hemolymph (SH) and a variety of cartilage-specific extracellular matrices (ECMs) including type II collagen, proline, chondroitin 4-sulfate, and chondroitin 6-sulfate were assessed with regard to their efficacy as media supplements. SH, a known anti-apoptotic agent, was found to enhance cell growth, as was shown by the results of a 3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)-2,5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay. According to the results of reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR) analyses, the cartilage-specific ECMs were found to stimulate the expression of hyaline cartilage-specific genes, most notably type II collagen and Sox9, in monolayer cultures of PDPCs.
During distraction osteogenesis, the angiogenic activity is crucial factor in the new bone formation. The aim of this study was to detect the autocrine growth activity in the cellular components of the distracted periosteum with observation of the expression of vascular endothelial growth factor (VEGF) and its receptors following the mandibular distraction osteogenesis. Unilateral mandibular distraction (0.5 mm twice per day for 10 days) was performed in six mongrel dogs. Two animals were sacrificed at 7, 14, and 28 days after completion of distraction, respectively. The distracted lingual periosteum was harvested and processed for immunohistochemical examinations. After then, we observed the expression of VEGF, Flt-1 (VEGFR-1), and Flk-1 (VEGFR-2) in the osteoblasts and immature mesenchymal cells of the distracted periosteum. At 7 days after distraction, the expression of VEGF and its receptors were significantly increased in the cellular components of the distracted periosteum. Up to 14 days following distraction, the increased expressions were maintained in the osteoblastic cells. At 28 days after distraction, the expression of VEGF and its receptors decreased, but VEGF was still expressed weak or moderate in the osteoblastic cells of distracted periosteum. The expression pattern of VEGF and its receptors shown here suggested that VEGF play an important role in the osteogenesis, and these osteoblastic cell-derived VEGF might act as autocrine growth factor during distraction osteogenesis. In the other word, the cellular components in the distracted periosteum, such as osteoblasts and immature mesenchymal cells, might have autocrine growth activity during distraction osteogenesis.
The periosteum contains multipotent cells that can differentiate into osteoblasts and chondrocytes. Cultured periosteum-derived cells (PDCs) have an osteogenic capacity. The purpose of this study was to evaluate the interaction of PDCs with bone graft biomaterial. After cell isolation from the calvarial periosteum of Sprague-Dawley rats, cultured PDCs were placed in critical-sized calvarial defects with beta-tricalcium phosphate (${\beta}$-TCP). All rats were sacrificed 8 weeks after bone graft surgery, and the bone regenerative ability of bone grafting sides was evaluated by plain radiography, micro-computed tomography (CT), and histological examination. PDCs grafted with ${\beta}$-TCP displayed enhanced calcification in the defect site, density of regenerated bone and new bone formation within the defect and its boundaries. Furthermore, these PDCs more efficiently regenerated new bone as compared to grafted ${\beta}$-TCP only. The results suggest that cultured PDCs have the potential to promote osteogenesis in bone defects.
Periosteum-derived progenitor cells (PDPCs) were isolated and characterized by flow cytometric analysis using fluorescence-activated cell sorter (FACS). The chondrogenesis of PDPCs was performed on hyaluronic acid fibers ($Hyalrograft^{\circledR}$) 3D) in chondrogenic induction medium. PDPCs showed the chondrogenic potential when cultured on hyaluronic acid fibers. These results showed that the characterized PDPCs were the chondrogenic progenitor cells and $Hyalrograft^{\circledR}$ 3D served as a useful carrier for PDPCs in transplantation proliferation, matrix synthesis and differentiation. Therefore, it could be used as a matrix for healing the defected cartilage.
Two-dimensional cultivation is typically used for cell growth, but the method reduces the characteristics of chondrocytes and stem cells, and limits culture area. Therefore, development of three-dimensional culture method is needed to mimic in vivo environment, improve quality of cells and scale-up efficiently. Improving proliferation and chondrogenesis is available by co-culture of chondrocytes and mesenchymal stem cells (MSCs) that leads to interaction between two kinds of cells. However, the co-culture has problems that permeability of sphere diminishes as aggregate size increased and ratio of two kinds of cells composing each spheres is different. In this work, co-cultivation method using controlled sphere composed of chondrocytes and MSCs was established and enhanced chondrogenesis. Periosteum-derived progenitor cells (PDPCs) that are appropriate for cell therapy source of articular cartilage were used as MSCs. Controlled spheres were formed in the hanging-drop plates and shifted for being induced chondrogenesis in 35-mm non-adhesive culture dishes at a rotation rate of 60 rpm. After inducing chondrogenesis, gene expressions related with chondrogenesis were found to be improved and it was apparent that the utilization of controlled spheres promoted chondrogenesis. As a result, available numbers of cells per unit area were increased and chondrogenic differentiation ability was improved compared to typical two-dimensional culture. This approach shows the potential in cartilage regeneration as it can provide sufficient numbers of chondrocytes.
Background: This study was to investigate the effect of biomechanical stimulation on osteoblast differentiation of human periosteal-derived stem cell using the newly developed bioreactor. Methods: Human periosteal-derived stem cells were harvested from the mandible during the extraction of an impacted third molar. Using the new bioreactor, 4% cyclic equibiaxial tension force (0.5 Hz) was applied for 2 and 8 h on the stem cells and cultured for 3, 7, and 14 days on the osteogenic medium. Biochemical changes of the osteoblasts after the biomechanical stimulation were investigated. No treatment group was referred to as control group. Results: Alkaline phosphatase (ALP) activity and ALP messenger RNA (mRNA) expression level were higher in the strain group than those in the control group. The osteocalcin and osteonectin mRNA expressions were higher in the strain group compared to those in the control group on days 7 and 14. The vascular endothelial growth factor (VEGF) mRNA expression was higher in the strain group in comparison to that in the control group. Concentration of alizarin red S corresponding to calcium content was higher in the strain group than in the control group. Conclusions: The study suggests that cyclic tension force could influence the osteoblast differentiation of periosteal-derived stem cells under optimal stimulation condition and the force could be applicable for tissue engineering.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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