Role of mesenchymal stromal/stem cells in regulation of hemotoration in 3D in vitro culture

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The article is devoted to studying the role of mesenchymal stromal cells in formation of microenvironment for hematopoietic stem cells under the conditions mimicking physiological bone remodeling in presence of artificial three-dimensional matrices (Ra = 2-3 μm). The study was carried out using experimental samples of artificial implants obtained in electrolyte from hydroxyapatite nanoparticles (HAP) produced at the Institute of Strength Physics and Materials Science (Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences). The work included cultural and instrumental research techniques. Phenotypic profile of cells was assessed by flow cytometry. Determination of cytokine/chemokine levels from cell culture supernatants was assessed by flow fluorimetry. Detection of hematopoietic cells in the vision fields, as well as areas of extracellular matrix mineralization was carried out by means of cytomorphometry.

It was revealed that the 3D matrices with a calcium phosphate coating initiate the in vitro formation of specific microenvironment of MSCs, resulting in the increased numbers of HSCs with the CD45+CD34+ phenotype (at 14 days), an increased number of cells with hematopoietic morphology and evolving foci of extracellular matrix mineralization of the (at 21 days). Changed numbers of hematopoietic cells per vision field occurred, mainly, due to indirect effect of hematopoietic factors (SCF and G-CSF), along with decrease of proapoptotic factor TRAIL. It was also found that MSCs reduce the level of proinflammatory cytokines (IFNγ, TNFα, IP-10, IL-2, IL-6) in culture medium in the presence of artificial 3D calcium-phosphate-coated matrices. The revealed features of MSC functioning under the conditions simulating physiological bone remodeling, upon co-cultures with three-dimensional matrices (Ra = 2-3 μm), have shown a significant effect of MSCs upon regulation of HSCs by local microenvironment, through distinct modulating effects of cytokines, chemokines, and growth factors that provide intercellular interactions. Development of extracellular matrix mineralization areas during MSC cultivation in the presence of 3D matrices imitating mineral substance of bone tissue also indicates the formation of osteoblastic niches under the in vitro cultivation conditions.

The results obtained are important in order to assess functions of hematopoietic niches and the role of MSCs in their development and maintenance of the microenvironment.

The results obtained may find practical application in development of new classes of medical devices able to provide effective osseointegration.

About the authors

P. A. Ivanov

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: larisalitvinova@yandex.ru

Engineer-Researcher, Centre of Immunology and Cell Biotechnology, Immanuel Kant Baltic Federal University.

236001, Kaliningrad, Gaidar str., 6,302.

Russian Federation

K. A. Yurova

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: larisalitvinova@yandex.ru

PhD (Medicine), Senior Research Associate, Center of Immunology and Cell Biotechnology, Immanuel Kant Baltic Federal University.

236001, Kaliningrad, Gaidar str., 6,302.

Russian Federation

O. G. Khaziakhmatova

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: larisalitvinova@yandex.ru

PhD (Biology), Senior Research Associate, Center of Immunology and Cell Biotechnology, Immanuel Kant Baltic Federal University.

236001, Kaliningrad, Gaidar str., 6,302.

Russian Federation

V. V. Shupletsova

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: larisalitvinova@yandex.ru

PhD (Biology), Senior Research Associate, Center of Immunology and Cell Biotechnology, Immanuel Kant Baltic Federal University.

236001, Kaliningrad, Gaidar str., 6,302.

Russian Federation

V. V. Malaschenko

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: larisalitvinova@yandex.ru

Engineer-Researcher, Center of Immunology and Cell Biotechnology, Immanuel Kant Baltic Federal University.

236001, Kaliningrad, Gaidar str., 6,302.

Russian Federation

E. O. Shunkin

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: larisalitvinova@yandex.ru

Junior Research Associate, Center of Immunology and Cell Biotechnology, Immanuel Kant Baltic Federal University.

236001, Kaliningrad, Gaidar str., 6,302.

Russian Federation

I. K. Norkin

Immanuel Kant Baltic Federal University

Email: larisalitvinova@yandex.ru

Biologist, Center of Immunology and Cell Biotechnology, Immanuel Kant Baltic Federal University.

236001, Kaliningrad, Gaidar str., 6,302.

Russian Federation

I. A. Khlusov

Immanuel Kant Baltic Federal University; Siberian State Medical University

Email: larisalitvinova@yandex.ru

PhD, MD (Medicine), Professor, Department of Morphology and General Pathology, Siberian State Medical University; Main Research Associate, Center of Immunology and Cell Biotechnology, Immanuel Kant Baltic Federal University.

Tomsk; Kaliningrad.

Russian Federation

L. S. Litvinova

Immanuel Kant Baltic Federal University

Author for correspondence.
Email: larisalitvinova@yandex.ru

Larisa S. Litvinova – PhD, MD (Medicine), Head, Center of Immunology and Cell Biotechnology, Immanuel Kant Baltic Federal University.

236001, Kaliningrad, Gaidar str., 6,302.

Phone: 7 (4012) 595-595 (acc. 6134).

Russian Federation

References

  1. Anthony B.A., Link D.C. Regulation of hematopoietic stem cells by bone marrow stromal cells Trends. Immunol., 2014, Vol. 35, no. 1, pp. 32-37.
  2. Corselli M., Chin C.J., Parekh C., Sahaghian A., Wang W., Ge S., Evseenko D., Wang X., Montelatici E., Lazzari L., Crooks G.M., Peault B. Perivascular support of human hematopoietic stem/progenitor cells. Blood, 2013, Vol. 121, no. 15, pp. 2891-2901.
  3. Dominici M., Le Blanc K., Mueller I., Slaper-Cortenbach I., Marini F.C., Krause D.S., Deans R.J., Keating A., Prockop D.J., Horwitz E.M. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy, 2006, Vol. 8, no. 4, pp. 315-317.
  4. Litvinova L.S., Shupletsova V.V., Khaziakhmatova O.G., Yurova K.A., Malashchenko V.V., Melashchenko E.S., Todosenko N.M., Khlusova M.Y., Sharkeev Y.P., Komarova E.G., Sedelnikova M.B., Shunkin E.O., Khlusov I.A. Behavioral Changes of Multipotent Mesenchymal Stromal Cells in Contact with Synthetic Calcium Phosphates in vitro. Cell Tissue Biol., 2018, Vol. 12, no. 2, pp. 112-119.
  5. Mendez-Ferrer S., Michurina T.V., Ferraro F., Mazloom A.R., Macarthur B.D., Lira S.A., Scadden D.T., Ma'ayan A., Enikolopov G.N., Frenette P.S. Mesenchymal and haematopoietic stem cells form a unique bone marrow niche. Nature, 2010, Vol. 466, no. 7308, pp. 829-834.
  6. Mickiene G., Dalgediene I., Zvirblis G., Dapkunas Z., Plikusiene I., Buzavaite-Verteliene E., Balevicius Z., Ruksenaite A., Pleckaityte M. Human granulocyte-colony stimulating factor (G-CSF)/stem cell factor (SCF) fusion proteins: design, characterization and activity. PeerJ., 2020, Vol. 8, e9788. doi: 10.7717/peerj.9788.
  7. Munir H., Ward L.S.C., McGettrick H.M. Mesenchymal stem cells as endogenous regulators of inflammation. Adv. Exp. Med. Biol., 2018, Vol. 1060, pp. 73-98.
  8. Tasian S.K., Bornhauser M., Rutella S. Targeting leukemia stem cells in the bone marrow niche. Biomedicines, 2018, Vol. 6, no. 1, pii: E22. doi: 10.3390/biomedicines6010022.
  9. Terleeva O.P., Sharkeev Yu.P., Slonova A.I., Mironov I.V., Legostaeva E.V., Khlusov I.A., Matykina E., Skeldon P., Thompson G.E. Effect of parameters of microplasma modes and electrolyte composition on characteristics of calcium phosphate coatings on pure titanium for medical use. Surf. Coat. Technol., 2010, Vol. 205, pp. 1723-1729.
  10. Tuljapurkar S.R., Jackson J.D., Brusnahan S.K., O'Kane B.J., Sharp J.G. Characterization of a mesenchymal stem cell line that differentiates to bone and provides niches supporting mouse and human hematopoietic stem cells. Stem Cell Discov., 2012, Vol. 2, no. 1, pp. 5-14.
  11. Zaidi M. Skeletal remodeling in health and disease. Nat. Med., 2007. Vol. 13, no. 7, pp. 791-801.
  12. Zhang J., Niu C., Ye L., Huang H., He X., Tong W.-G., Ross J., Haug J., Johnson T., Feng J.Q., Harris S., Wiedemann L.M., Mishina Y., Li L. Identification of the haematopoietic stem cell niche and control of the niche size. Nature, 2003, Vol. 425, no. 6960, pp. 836-841.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2021 Ivanov P.A., Yurova K.A., Khaziakhmatova O.G., Shupletsova V.V., Malaschenko V.V., Shunkin E.O., Norkin I.K., Khlusov I.A., Litvinova L.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».