Platelet-Rich Plasma on Grit-blasted Titanium Alloy Enhances Osteogenic Differentiation of Human Adipose-derived Stem Cell

Abstract

Background: Adequate bone formation around titanium alloy implants is integral to successful implantation surgery. Stem cell–coated implants may accelerate peri-implant bone formation. This study investigates the effect of platelet-rich plasma (PRP) pretreatment on a titanium-alloy surface in terms of proliferation and osteogenic differentiation of human adipose-derived stem cells (hADSCs). Methods: Allogenic leukocyte-depleted PRP was obtained from blood supernatants. The hADSCs were isolated from thigh subcutaneous fat tissue. Grit-blasted titanium plugs were used in two different groups. In one group, 200 μL of PRP was added to the grit-blasted titanium plugs. The hADSCs were seeded in two groups: grit-blasted titanium plugs with or without PRP. The number of hADSCs was measured after 4 hours, 3 days, and 7 days of culture using Cell Counting Kit-8. Osteogenesis of hADSCs was measured by using an alkaline phosphatase activity assay on days 7 and 14, and a calcium assay on days 14 and 21. Osteogenic gene expression was measured by using reverse transcription polymerase chain reaction analysis of alkaline phosphatase, osteocalcin, and type I collagen mRNA. The microscopic morphology of grit-blasted titanium plugs with or without PRP was examined with a field-emission scanning electron microscope using a JSM-7401F apparatus on days 1 and 7. Results: Proliferation and osteogenic differentiation of hADSCs were found to be significantly higher on the grit-blasted titanium alloy preprocessed with PRP than the same alloy without pretreatment. Furthermore, a structural fibrillar mesh developed compactly on the grit-blasted titanium alloy with the PRP pretreatment. Conclusions: Our results demonstrate that a hADSC-based approach can be used for tissue-engineered peri-implant bone formation and that PRP pretreatment on the grit-blasted titanium alloy can improve proliferation and osteogenic differentiation of hADSCs.

연구배경: 골인공물로 티타늄 합금을 사용한 후 합금 표면에 적절한 골형성이 일어나는 것은 필수적이다. 줄기세포를 인공물의 표면에 처리해두면 인공물 주위에서 골형성이 가속화된다. 이번 연구는 혈소판 풍부 혈장이 티타늄 합금 표면에 전처리 되면 인간 지방세포 유래 줄기세포의 증식 및 골형성 분화도에 영향을 미칠 수 있는지에 대해 알아보는 것이다. 연구방법: 혈액 상층액에서 동종 백혈구 제거 처리한 혈소판 풍부 혈장을 얻는다. 인간 지방세포 유래 줄기세포는 환자의 허벅지 피하 지방 조직에서 얻는다. 모래 분사 방식 처리된 티타늄 플러그를 두 그룹에서 사용하였는데 한 그룹에서는 200μL의 혈소판 풍부 혈장을 추가하였다. 인간 지방세포 유래 줄기세포는 모래 분사 방식 처리된 티타늄 플러그 두 그룹 모두에 분배한다. 인간 지방세포 유래 줄기세포 수는 Cell Counting Kit-8을 이용하여 배양 4시간, 3일, 그리고 7일 후에 측정하였다. 인간 지방세포 유래 줄기세포의 골형성 정도는 7일과 14일에 알칼리성 포스파타제 활성 분석, 14일과 21일에 칼슘 분석을 이용하여 측정하였다. 골형성 유전자 발현은 알칼리성 포스파타제, 오스테오칼신 및 콜라겐 I형의 역전사 중합효소 연쇄 반응 분석을 사용하여 측정하였다. 1일과 7일에는 전계방출 주사전자현미경인 JSM-7401F을 사용하여 혈소판 풍부 혈장이 처리되었거나 안 된 모래 분사 방식 처리된 티타늄 플러그의 미세 형태도 조사하였다. 연구결과: 혈소판 풍부 혈장이 합금 표면에 전처리 된 경우에서 안 된 경우보다 모래 분사처리 된 티타늄 합금 표면에 인간 지방세포 유래 줄기세포의 증식 및 골형성 분화도가 유의미하게 증가하였다. 또한 혈소판 풍부 혈장이 합금 표면에 전처리 되면 3차원 적으로도 밀집한 형태의 풍부한 피브린 네트워크 구조가 형성됨을 관찰하였다. 연구결론: 조직공학적인 측면에서 인공물 주변 골형성이 일어나게 하는데 인간 지방세포 유래 줄기세포의 사용 가능성을 제안한다. 또한 혈소판 풍부 혈장을 합금 표면에 전처리 하는 것이 실험실적으로는 인간 지방세포 유래 줄기세포의 증식 및 골형성 분화도를 유의미하게 증가시킬 수 있다.