mechanical-stimulation-of-stem-cells-using-cyclic-uniaxial-strain

Mechanical Stimulation of Stem Cells Using Cyclic Uniaxial Strain

The role of mechanical forces in the development and maintenance of biological tissues is well documented, including several mechanically regulated ...

The Robin sequence is a well-known cause of cleft palate and can be sporadic or familial, isolated or syndromic. We present a four-generation family with a lethal disorder inherited in an X-linked recessive pattern that includes Talipes equinovarus, Atrial septal defect, Robin sequence, and Persistence of the left superior vena cava. We have designated this disorder "TARP" syndrome. All affected males die in infancy of unknown causes. An X-chromosome linkage scan was performed using 14 unaffected members of a single large family and 40 STRP markers. The gene was mapped to an 11-cM region in Xp11.23-q13.3. Markers DXS1003 and DXS8092 flank the region and three-point linkage analyses revealed a maximum LOD score of 2.75 at marker DXS1039. We have designated this locus as TARP. This locus was mapped without genotyping any affecteds and demonstrates that rare, lethal disorders can be evaluated by genetic linkage, even when no affected probands are available for study.

Designation of the TARP syndrome and linkage to Xp11.23-q13.3 without samples from affected patients.

Bezeichnung des TARP-Syndrom und die Anbindung an Xp11.23-q13.3 ohne Proben von betroffenen Patienten.

Vascular smooth muscle cells (SMCs) populate in the media of the blood vessel, and play an important role in the control of vasoactivity and the remodeling of the vessel wall. Blood vessels are constantly subjected to hemodynamic stresses, and the pulsatile nature of the blood flow results in a cyclic mechanical strain in the vessel walls. Accumulating evidence in the past two decades indicates that mechanical strain regulates vascular SMC phenotype, function and matrix remodeling. Bone marrow mesenchymal stem cell (MSC) is a potential cell source for vascular regeneration therapy, and may be used to generate SMCs to construct tissue-engineered vascular grafts for blood vessel replacements. In this review, we will focus on the effects of mechanical strain on SMCs and MSCs, e.g., cell phenotype, cell morphology, cytoskeleton organization, gene expression, signal transduction and receptor activation. We will compare the responses of SMCs and MSCs to equiaxial strain, uniaxial strain and mechanical strain in three-dimensional culture. Understanding the hemodynamic regulation of SMC and MSC functions will provide a basis for the development of new vascular therapies and for the construction of tissue-engineered vascular grafts.

Regulation of vascular smooth muscle cells and mesenchymal stem cells by mechanical strain.

Vaskul&auml;ren glatten Muskelzellen (SMCs) f&uuml;llen in den Medien &uuml;ber die Blutgef&auml;&szlig;e, und spielen eine wichtige Rolle in der Kontrolle der Vasoactivity und den Umbau von der Beh&auml;lterwand. Blutgef&auml;&szlig;e unterliegen st&auml;ndig h&auml;modynamischen Spannungen und pulsierender Natur der Blut flie&szlig;en Ergebnisse in eine zyklische mechanische Belastung in der Gef&auml;&szlig;wand. Sammeln Beweise in den vergangenen zwei Jahrzehnten zeigt, dass mechanische Belastung vaskul&auml;re SMC-Ph&auml;notyp, Funktion und Matrix Umbau regelt. Knochenmark mesenchymale Stammzellen (MSC) ist eine potenzielle Zelle f&uuml;r vaskul&auml;re Regenerationstherapie und zum Generieren von SMCs Tissue-engineered vaskul&auml;re Prothesen f&uuml;r Blutgef&auml;&szlig; Ersatz zu konstruieren verwendet werden kann. In diesem Bericht konzentrieren wir uns auf die Auswirkungen der mechanischen Belastung f&uuml;r SMCs und MSCs, z. B. Zelle Ph&auml;notypus Zellmorphologie, Zytoskelett-Organisation, Genexpression, Signaltransduktion und -Aktivierung. Wir werden die Antworten von SMCs und MSCs auf equiaxialem Stamm, einachsiger Belastung und mechanische Belastung in dreidimensionale Kultur vergleichen. Verst&auml;ndnis der h&auml;modynamischen Regulierung von SMC und MSC-Funktionen bietet eine Grundlage f&uuml;r die Entwicklung neuer vaskul&auml;rer Therapien und f&uuml;r den Bau von Tissue-engineered vaskul&auml;re Prothesen.

Regulierung von vaskul&auml;ren glatten Muskelzellen und mesenchymalen Stammzellen durch mechanische Belastung.

Mesenchymal stem cells (MSCs) are a potential source for the construction of tissue-engineered vascular grafts. However, how vascular mechanical forces regulate the genetic reprogramming in MSCs is not well understood. Mechanical strain in the vascular wall is anisotropic and mainly in the circumferential direction. We have shown that cyclic uniaxial strain on elastic substrates causes the cells to align perpendicularly to the strain axis, which is different from that in the vascular wall. To simulate the vascular cell alignment and investigate the anisotropic mechanical sensing by MSCs, we used soft lithography to create elastomeric membranes with parallel microgrooves. This topographic pattern kept MSCs aligned parallel to the strain axis, and the cells were subjected to 5% cyclic uniaxial strain (1 Hz) for 2-4 days. DNA microarray analysis revealed global gene expression changes, including an increase in the smooth muscle marker calponin 1, decreases in cartilage matrix markers, and alterations in cell signaling (e.g., down-regulation of the Jagged1 signaling pathway). In addition, uniaxial strain increased MSC proliferation. However, when micropatterning was used to align cells perpendicularly to the axis of mechanical strain, the changes of some genes were diminished, and MSC proliferation was not affected. This study suggests that mechanical strain plays an important role in MSC differentiation and proliferation, and that the effects of mechanotransduction depend on the orientation of cells with respect to the strain axis. The differential cellular responses to the anisotropic mechanical environment have important implications in cardiovascular development, tissue remodeling, and tissue engineering.

Anisotropic mechanosensing by mesenchymal stem cells.

Mesenchymaler Stammzellen (MSCs) sind eine m&ouml;gliche Quelle f&uuml;r den Bau von Tissue-engineered vaskul&auml;re Prothesen. Jedoch wie vaskul&auml;re mechanischen Kr&auml;fte zu regulieren ist die genetische Umprogrammierung in MSCs nicht gut verstanden. Mechanische Belastung in der Gef&auml;&szlig;wand ist anisotropen und vor allem in der Umfangsrichtung. Wir haben gezeigt, dass zyklische einachsiger Belastung elastisch Substraten bewirkt, dass die Zellen senkrecht an der Stamm-Achse, ausgerichtet, die in der Gef&auml;&szlig;wand unterscheidet. Um die vaskul&auml;re Zellenausrichtung zu simulieren und zu untersuchen, die anisotropen mechanischen Abtastung von MSCs, zum wir weiche Lithographie Elastomere Membranen mit parallelen Microgrooves erstellen. Diese topographische Muster gehalten MSCs ausgerichtet Parallel zur Achse Belastung, und die Zellen wurden 5 % zyklische einachsige Dehnung (1 Hz) f&uuml;r 2-4 Tage unterworfen. DNA Microarray-Analyse ergab globale Gen Ausdruck &Auml;nderungen, unter anderem eine Erh&ouml;hung der glatten Muskulatur Markierung Calponin 1, Abnahmen in der Knorpel Matrix Marker, und &Auml;nderungen in Zelle Signalisierung (z. B. Herunterregulation der Jagged1 signalisieren Weg). Dar&uuml;ber hinaus erh&ouml;ht einachsiger Belastung MSC Verbreitung. Jedoch als Micropatterning benutzt wurde, um Zellen senkrecht zur Achse der mechanischen Belastung auszurichten, die &Auml;nderungen einige Gene wurden abgenommen, und MSC Verbreitung war nicht betroffen. Diese Studie legt nahe, dass die mechanische Belastung spielt eine wichtige Rolle im MSC Differenzierung und Vermehrung und die Auswirkungen der Mechanotransduction abh&auml;ngen, die Ausrichtung der Zellen in Bezug auf die Stamm-Achse. Die differenziellen zellul&auml;ren Reaktionen auf die anisotropen mechanischen Umwelt haben wichtige Implikationen im Herz-Kreislauf-Entwicklung, Umbau von Gewebe und Tissue-Engineering.

Anisotrope Mechanosensing von mesenchymalen Stammzellen.

Biodegradable nanofibers have tremendous potential for tissue repair. However, the combined effects of nanofiber organization and immobilized bioactive factors on cell guidance are not well understood. In this study, we developed aligned and bioactive nanofibrous scaffolds by immobilizing extracellular matrix protein and growth factor onto nanofibers, which simulated the physical and biochemical properties of native matrix fibrils. The aligned nanofibers significantly induced neurite outgrowth and enhanced skin cell migration during wound healing compared to randomly oriented nanofibers. Furthermore, the immobilized biochemical factors (as efficient as soluble factors) synergized with aligned nanofibers to promote highly efficient neurite outgrowth but had less effect on skin cell migration. This study shed light on the relative importance of nanotopography and chemical signaling in the guidance of different cell behavior.

Bioactive nanofibers: synergistic effects of nanotopography and chemical signaling on cell guidance.

Biologisch abbaubare Nanofasern haben enormes Potenzial f&uuml;r die Reparatur von Gewebe. Allerdings sind die Auswirkungen des Nanofaser-Organisation und immobilisierte bioaktive Faktoren Zelle Lernberatung nicht gut verstanden. In dieser Studie entwickelten wir ausgerichtet und bioaktive Nanofibrous Ger&uuml;sten durch l&auml;hmende extrazellul&auml;re Matrixprotein und Wachstumsfaktor auf Nanofasern, die die physikalischen und biochemischen Eigenschaften der native Matrix Fibrillen simuliert. Die ausgerichteten Nanofasern deutlich induzierte Neurit Auswuchs und verbesserte Haut Zellmigration w&auml;hrend der Wundheilung im Vergleich zu zuf&auml;llig orientierte Nanofasern. Dar&uuml;ber hinaus die immobilisierten biochemischen Faktoren (so effizient wie l&ouml;sliche Faktoren) zusammenwirkten mit ausgerichteten Nanofasern, hocheffiziente Neurit Auswuchs zu f&ouml;rdern aber hatte weniger Wirkung auf die Haut Zellmigration. Diese Studie Aufschluss &uuml;ber die relative Bedeutung der Nanotopography und chemische Signale in der Leitung von verschiedenen Zelle Verhalten.

Bioaktive Nanofasern: Synergistischer Effekt von Nanotopography und chemische Signale Zelle Lernberatung.

Mesenchymal stem cells (MSCs) derived from bone marrow have shown great promise in tissue repair. While these cells induce little immune response, they show marked self-renewal properties and can differentiate into many cell types. Recent evidence shows that mechanical factors such as fluid shear stress, mechanical strain and the rigidity of extracellular matrix can regulate the proliferation and differentiation of MSCs through various signaling pathways. Transplanted MSCs enhance angiogenesis and contribute to remodeling of the vasculature. In this review, we will focus on the responses of vascular cells and MSCs to shear stress, strain and matrix rigidity and will discuss the use of MSCs in myocardial repair and vascular tissue engineering.

Mechanobiology of mesenchymal stem cells and their use in cardiovascular repair.

Mesenchymaler Stammzellen (MSCs) aus dem Knochenmark zeigten vielversprechende in Reparatur von Gewebe. W&auml;hrend diese Zellen wenig Immunantwort ausl&ouml;sen, sie zeigen deutliche Selbsterneuerung Eigenschaften und k&ouml;nnen in vielen Zelltypen differenzieren. Neuere Belege zeigt, dass mechanische Faktoren wie fl&uuml;ssig Schubspannung, mechanische Belastung und die Starrheit der extrazellul&auml;ren Matrix der Proliferation und Differenzierung von MSCs durch verschiedene Signalwege regulieren k&ouml;nnen. Transplantierten MSCs verbessern Angiogenese und tragen zur Umgestaltung des das Gef&auml;&szlig;system. In diesem Bericht wir konzentrieren uns auf die Antworten der vaskul&auml;ren Zellen und MSCs und Schubspannung, Belastung und Matrix Steifigkeit und Willen diskutieren die Verwendung von MSCs im Myokard-Reparatur und vaskul&auml;re Tissue Engineering.

Mechanobiology von mesenchymalen Stammzellen und ihre Verwendung in der Herz-Kreislauf-Reparatur.

Stammzellen halten gro&szlig;es Potential f&uuml;r die regenerative Medizin, sondern sie haben auch in Krebs und Altern verwickelt worden. Wie beeinflussen die verschiedene Arten ionisierender Strahlung bleibt Stammzellbiologie unerforscht. Diese Studie wurde entwickelt, um die biologischen Effekte von R&ouml;ntgenstrahlen und hoch-lineare Energie Transfer (LET) (56)-Fe-Ionen auf mesenchymale Stammzellen (hMSC) zu vergleichen.

Wirkungen der R&ouml;ntgenstrahlen und energiereiche 56Fe Ionen an menschlichen mesenchymalen Stammzellen.

Stem cells hold great potential for regenerative medicine, but they have also been implicated in cancer and aging. How different kinds of ionizing radiation affect stem cell biology remains unexplored. This study was designed to compare the biological effects of X-rays and of high-linear energy transfer (LET) (56)Fe ions on human mesenchymal stem cells (hMSC).

Differential effects of x-rays and high-energy 56Fe ions on human mesenchymal stem cells.

Mesenchymal stem cells (MSCs) are a potential source of smooth muscle cells (SMCs) for constructing tissue-engineered vascular grafts. However, the details of how specific combinations of vascular microenvironmental factors regulate MSCs are not well understood. Previous studies have suggested that both mechanical stimulation with uniaxial cyclic strain and chemical stimulation with transforming growth factor-beta1 (TGF-beta1) can induce smooth muscle markers in MSCs. In this study, we investigated the combined effects of uniaxial cyclic strain and TGF-beta1 stimulation on MSCs. By using a proteomic analysis, we found differential regulation of several proteins and genes, such as the up-regulation of TGF-beta1-induced protein ig-h3 (BGH3) protein levels by TGF-beta1 and up-regulation of calponin 3 protein level by cyclic strain. At the gene expression level, BGH3 was induced by TGF-beta1, but calponin 3 was not significantly regulated by mechanical strain or TGF-beta1, which was in contrast to the synergistic up-regulation of calponin 1 gene expression by cyclic strain and TGF-beta1. Further experiments with cycloheximide treatment suggested that the up-regulation of calponin 3 by cyclic strain was at post-transcriptional level. The results in this study suggest that both mechanical stimulation and TGF-beta1 signaling play unique and important roles in the regulation of MSCs at both transcriptional and post-transcriptional levels, and that a precise combination of microenvironmental cues may promote MSC differentiation.

Proteomic Profiling of Mesenchymal Stem Cell Responses to Mechanical Strain and TGF-beta1.

Mesenchymaler Stammzellen (MSCs) sind eine m&ouml;gliche Quelle von glatten Muskelzellen (SMCs) f&uuml;r den Bau von Tissue-engineered vaskul&auml;rer Prothesen. Jedoch die Details wie bestimmte Kombinationen von vaskul&auml;ren microenvironmental Faktoren regulieren MSCs sind nicht gut verstanden. Fr&uuml;here Studien haben vorgeschlagen, dass sowohl die mechanische Stimulation mit einachsiger zyklischer Belastung als auch die chemische Stimulation mit transforming Growth Factor-beta1 (TGF-beta1) Glattmuskel-Markern in MSCs hervorrufen k&ouml;nnen. In dieser Studie untersuchten wir die kombinierten Wirkungen von einachsige zyklische Belastung und TGF-beta1-Stimulation auf MSCs. Durch die Verwendung einer Proteomic-Analysis, fanden wir differenzielle Verordnung mehrerer Proteine und Gene, wie die oben-Regulierung von TGF-beta1-induzierte Protein-Ig-h3 (BGH3)-Protein-Ebene von TGF-beta1 und bis-Regulierung von Calponin 3 Protein-Ebene durch zyklische Belastung. Ebene der Gen-Ausdruck BGH3 wurde von TGF-beta1 induziert, aber Calponin 3 war nicht signifikant durch mechanische Belastung oder TGF-beta1, die im Gegensatz zu den synergistischen bis-Regulierung von Calponin 1 Genexpression durch zyklische Belastung war und TGF-beta1 geregelt. Weitere Experimente mit Cycloheximid Behandlung vorgeschlagen, bis-3 Calponin durch zyklische Belastung auf Posttranskriptionale Ebene war. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass sowohl mechanische Stimulation und TGF-beta1 Signalisierung einzigartige und wichtige Rollen bei der Regulierung der MSCs sowohl die transkriptionelle als auch die Posttranskriptionale Ebene spielen und eine pr&auml;zise Kombination der microenvironmental-Cues MSC Differenzierung f&ouml;rdern kann.

Proteomic Profiling von mesenchymalen Stammzellen Reaktionen auf mechanische Belastung und TGF-beta1.

Biodegradable nanofibers simulate the fibril structure of natural extracellular matrix, and provide a cell-friendly microenvironment for tissue regeneration. However, the effects of nanofiber organization and immobilized biochemical factors on cell infiltration into three-dimensional scaffolds are not well understood. For example, cell infiltration into an electrospun nanofibrous matrix is often limited due to relatively small pore size between the fibers. Here we showed that biophysical and biochemical modification of nanofibrous scaffolds facilitated endothelial cell infiltration in three-dimensional scaffolds in vitro and in vivo. Aligned nanofibers significantly enhanced cell infiltration into the nanofibrous matrices in vitro. In a full-thickness dermal wound model, the nanofiber scaffolds enhanced epidermal skin cell migration across the wound when compared to a control group without scaffold. Aligned nanofibers promoted the infiltration of endothelial cells into the scaffolds. Furthermore, heparin-coated nanofibers also increased cell infiltration significantly. These results shed light on the importance of biophysical and biochemical properties of nanofibers in the regulation of cell infiltration into three-dimensional scaffolds and tissue remodeling.

The effect of fiber alignment and heparin coating on cell infiltration into nanofibrous PLLA scaffolds.

Biologisch abbaubare Nanofasern simulieren die Fibrille-Struktur der nat&uuml;rlichen extrazellul&auml;ren Matrix und bieten eine Zelle-freundliche Mikromilieu zur Geweberegeneration. Allerdings sind die Auswirkungen der Nanofaser-Organisation und immobilisierte biochemische Faktoren auf Zelle Infiltration in dreidimensionalen Ger&uuml;sten nicht gut verstanden. Infiltration der Zellen in einem Electrospun-Nanofibrous-Matrix beschr&auml;nkt sich beispielsweise h&auml;ufig aufgrund der relativ geringen Porengr&ouml;&szlig;e zwischen den Fasern. Hier zeigten wir, dass biophysikalische und biochemische Modifikation der Nanofibrous Ger&uuml;sten erleichtert endothelial Zellen Eindringen in dreidimensionalen Ger&uuml;sten in vitro und in vivo. Ausgerichtete Nanofasern verbessert erheblich Zelle Infiltration in die in-vitro-Nanofibrous-Matrizen. In einem voll-Dicke dermal Wunde Modell erweiterten die Nanofaser Scaffolds epidermale Haut Zelle Migration f&uuml;r die Wunde im Vergleich zu einer Kontrollgruppe ohne Ger&uuml;st. Ausgerichtete Nanofasern bef&ouml;rdert die Infiltration von Endothelzellen in die Leitschienen. Dar&uuml;ber hinaus erh&ouml;ht Heparin-beschichtete Nanofasern auch Infiltration Zellen deutlich. Diese Ergebnisse geben Aufschluss &uuml;ber die Bedeutung der biophysikalischen und biochemischen Eigenschaften von Nanofasern bei der Regelung der Zelle Infiltration in dreidimensionalen Ger&uuml;sten und Umbau von Gewebe.

Die Wirkung der Faser Ausrichtung und Heparin-Beschichtung auf Zelle Infiltration in Nanofibrous PLLA Ger&uuml;sten.

The differentiation of stem cells into smooth muscle cells (SMCs) plays an important role in vascular development and remodeling. In addition, stem cells represent a potential source of SMCs for regenerative medicine applications such as constructing vascular grafts. Previous studies have suggested that various biochemical factors, including transforming growth factor-beta (TGF-beta) and the Notch pathway, may play important roles in vascular differentiation. However, the interactions of these two signaling pathways in the differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs) have not been clearly defined. In this study, we profiled the gene expression in MSCs in response to TGF-beta, and showed that TGF-beta induced Notch ligand Jagged 1 (JAG1) and SMC markers, including smooth muscle alpha-actin (ACTA2), calponin 1 (CNN1), and myocardin (MYOCD), which were dependent on the activation of SMAD3 and Rho kinase. In addition, knocking down JAG1 expression partially blocked ACTA2 and CNN1 expression and completely blocked MYOCD expression, suggesting that JAG1 plays an important role in TGF-beta-induced expression of SMC markers. On the other hand, the activation of Notch signaling induced the expression of SMC markers in MSCs and human embryonic stem cells (hESCs). Notch activation in hESCs also resulted in an increase of neural markers and a decrease of endothelial markers. These results suggest that Notch signaling mediates TGF-beta regulation of MSC differentiation and that Notch signaling induces the differentiation of MSCs and hESCs into SMCs, which represents a novel mechanism involved in stem cell differentiation.

Transforming growth factor-beta and notch signaling mediate stem cell differentiation into smooth muscle cells.

Die Differenzierung von Stammzellen in glatten Muskelzellen (SMCs) spielt eine wichtige Rolle in der vaskul&auml;ren Entwicklung und Umgestaltung. Dar&uuml;ber hinaus stellen Stammzellen eine potenzielle Quelle f&uuml;r SMCs f&uuml;r regenerative Medizin Anwendungen wie vaskul&auml;re Prothesen konstruieren. Fr&uuml;here Studien haben vorgeschlagen, dass verschiedene biochemische Faktoren, einschlie&szlig;lich Umwandlung von Wachstumsfaktor-Beta (TGF-Beta) und der Notch-Signalweg bei vaskul&auml;ren Differenzierung eine wichtige Rolle spielen k&ouml;nnen. Jedoch wurden die Wechselwirkungen zwischen diesen zwei Signalwege bei der Differenzierung von Knochenmark mesenchymale Stammzellen (MSCs) nicht eindeutig definiert. In dieser Studie wir profiliert die Genexpression in MSCs auf TGF-Beta, und zeigte, dass TGF-Beta Notch-Liganden Jagged 1 (JAG1 induzierte) und SMC-Marken, einschlie&szlig;lich glatten Muskel Alpha-Actin (ACTA2), Calponin 1 (CNN1), und Myocardin (MYOCD), die die Aktivierung von SMAD3 und Rho-Kinase abh&auml;ngig waren. Au&szlig;erdem blockiert JAG1 Ausdruck teilweise umzuwerfen, ACTA2 und CNN1 Ausdruck und v&ouml;llig blockierten MYOCD Ausdruck, darauf hindeutet, dass JAG1 eine wichtige Rolle im TGF-Beta-induzierte Expression von SMC-Marker spielt. Auf der anderen Seite, induziert die Aktivierung des Notch Signalisierung den Ausdruck des SMC-Markern in MSCs und menschlicher embryonaler Stammzellen (Zellkulturen). Kerbe-Aktivierung in Zellkulturen f&uuml;hrte auch eine Erh&ouml;hung der neuronalen Marker und eine Abnahme der endothelial Marker. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Notch Signalisierung TGF-Beta-Verordnung der MSC Differenzierung vermittelt und die Kerbe signalisieren die Differenzierung des MSCs und Zellkulturen in SMCs, induziert, die einen neuen Mechanismus beteiligten Stammzell-Differenzierung darstellt.

Umwandlung von Wachstumsfaktor-Beta und Kerbe Signalisierung vermitteln Stammzell-Differenzierung in glatten Muskelzellen.

Trauma injuries often cause peripheral nerve damage and disability. A goal in neural tissue engineering is to develop synthetic nerve conduits for peripheral nerve regeneration having therapeutic efficacy comparable to that of autografts. Nanofibrous conduits with aligned nanofibers have been shown to promote nerve regeneration, but current fabrication methods rely on rolling a fibrous sheet into the shape of a conduit, which results in a graft with inconsistent size and a discontinuous joint or seam. In addition, the long-term effects of nanofibrous nerve conduits, in comparison with autografts, are still unknown. Here we developed a novel one-step electrospinning process, and for the first time, fabricated a seamless bi-layer nanofibrous nerve conduit: the luminal layer having longitudinally aligned nanofibers to promote nerve regeneration, and the outer layer having randomly organized nanofibers for mechanical support. Long-term in vivo studies demonstrated that bi-layer aligned nanofibrous nerve conduits were superior to random nanofibrous conduits and had comparable therapeutic effects to autografts for nerve regeneration. In summary, we showed that the engineered nanostructure had a significant impact on neural tissue regeneration in situ. The results from this study will also lead to the scalable fabrication of engineered nanofibrous nerve conduits with designed nanostructure. This technology platform can be combined with drug delivery and cell therapies for tissue engineering.

Engineering Bi-layer Nanofibrous Conduits for Peripheral Nerve Regeneration.

Trauma Verletzungen verursachen oft periphere Nervensch&auml;den und Behinderung. Ein Ziel im Nervengewebe Engineering ist synthetischen Nerven Leitungen f&uuml;r periphere Nervenregeneration mit therapeutischen Wirksamkeit vergleichbar mit der Autotransplantate zu entwickeln. Nanofibrous Leitungen mit ausgerichteten Nanofasern haben gezeigt worden, um die F&ouml;rderung der Nervenregeneration, aber aktuelle Fabrikation Methoden beruhen auf Rollen ein faseriges Blatt in die Form eines Conduits, die Ergebnisse in ein Transplantat mit inkonsistenten Gr&ouml;&szlig;e und eine diskontinuierliche Gelenk- oder Naht. Dar&uuml;ber hinaus sind die langfristigen Auswirkungen der Nanofibrous Nerven Leitungen, im Vergleich zu Autotransplantate, noch unbekannt. Hier entwickelten wir einen neuartige einstufigen Elektrospinnen Prozess, und zum ersten Mal fabriziert einen nahtlose Bi-Schicht Nanofibrous Nerv Conduit: der luminalen Schicht haben in L&auml;ngsrichtung ausgerichtet Nanofasern Nervenregeneration zu f&ouml;rdern und die &auml;u&szlig;ere Schicht, die nach dem Zufallsprinzip Nanofasern f&uuml;r mechanische Unterst&uuml;tzung organisiert. Langfristige in-vivo-Studien gezeigt, dass Bi-Schicht ausgerichteten Nanofibrous Nerven Leitungen zuf&auml;llige Nanofibrous Leitungen &uuml;berlegen waren und vergleichbare therapeutische Wirkungen Autotransplantate f&uuml;r Nervenregeneration hatte. Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass die manipulierte Nanostruktur erhebliche Auswirkungen auf neuronale Geweberegeneration in-situ hatte. Die Ergebnisse dieser Studie f&uuml;hrt auch zu die skalierbare Fertigung &uuml;ber manipulierte Nanofibrous Nerv Conduits mit gestalteten Nanostruktur. Dieser Technologieplattform kombinierbar mit medikament&ouml;sen Therapien von Lieferung und Zelle f&uuml;r Tissue-Engineering.

Engineering Bi-Schicht Nanofibrous Conduits f&uuml;r periphere Nervenregeneration.

Aim: To create a synthetic nanofibrous dural substitute that overcomes the limitations of current devices by enhancing dural healing via biomimetic nanoscale architecture and supporting both onlaid and sutured implantation. Materials & methods: A custom electrospinning process was used to create a bilayer dural substitute having aligned nanofibers on one side and random nanofibers on the other. Nanoscale architecture was verified using microscopy and macroscale mechanical properties were investigated using tensile testing. Biological response to this device was investigated both in vitro and in a canine duraplasty model. Results & conclusion: Bilayer nanofiber alignment yields a graft having anisotropic mechanical properties with significantly higher strength and suturability than a commercially available collagen matrix. When implanted, the nanofibrous graft prevents leaks and brain tissue adhesions, and encourages dura mater regrowth, performing comparably to the collagen matrix. Both in vitro fibroblast orientation and in vivo dural healing are enhanced by the aligned nanofibers.

Dura mater regeneration with a novel synthetic, bilayered nanofibrous dural substitute: an experimental study.

Ziel: Eine synthetische erstellen Nanofibrous dural ersetzen, &uuml;berwindet die Grenzen der aktuellen Ger&auml;te durch Verbesserung der dural Heilung &uuml;ber biomimetische Nanoscale Architektur und sowohl Onlaid als auch gen&auml;hter Einnistung unterst&uuml;tzt. Materialien &amp; Methoden: ein benutzerdefinierte Elektrospinnen Prozess wurde zur Erstellung Bilayer dural Ersatz Nanofasern auf der einen Seite und zuf&auml;llige Nanofasern andererseits ausgerichtet haben. Nanoskalige Architektur wurde mittels Mikroskopie &uuml;berpr&uuml;ft und gro&szlig;r&auml;umige mechanischen Eigenschaften wurden mit Zugversuche untersucht. Biologische Reaktion auf dieses Ger&auml;t wurde in vitro und in einem eckzahn Duraplasty-Modell untersucht. Ergebnisse &amp; Fazit: Bilayer Nanofaser Ausrichtung ergibt ein Transplantat mit anisotrope mechanische Eigenschaften mit deutlich h&ouml;heren Festigkeit und Suturability als eine handels&uuml;bliche Kollagen-Matrix. Wenn implantiert, Nanofibrous Transplantats verhindert Lecks und Gehirn Gewebe Adh&auml;sionen und regt das Nachwachsen der Dura Mater, vergleichbar den Kollagen-Matrix durchf&uuml;hren. In-vitro-Fibroblasten Orientierung sowohl in-vivo dural Heilung werden durch die ausgerichteten Nanofasern erh&ouml;ht.

Dura Mater-Regeneration mit einem neuartigen synthetischen, dural bilayered Nanofibrous ersetzen: eine experimentelle Studie.

Predictive biomarkers may be beneficial for detecting, diagnosing, and assessing the risk of restenosis and vascular injury. We utilized proteomic profiling to identify protein markers in the blood following vascular injury, and corroborated the differential protein expression with immunological approaches. Rats underwent carotid artery injury, and plasma was collected after 2 or 5 weeks. Proteomic profiling was carried out by two-dimensional differential in-gel electrophoresis. The differentially expressed plasma proteins were identified by mass spectroscopy and confirmed by immunoblotting. Proteomic profiling by two-dimensional differential in-gel electrophoresis and mass spectroscopy revealed plasma proteins that were differentially expressed at 2 weeks after injury. Among the proteins identified included vitamin D binding protein (VDBP), aldolase A (aldo A), and apolipoproteinE (apoE). Immunoblotting results validated a significant reduction in these proteins in the plasma at 2 or 5 weeks after vascular injury, in comparison to control animals without vascular injury. These findings suggest that VDBP, aldo A, and apoE may be biomarkers for vascular injury, which will have important prognostic and diagnostic implications.

Proteomic identification of biomarkers of vascular injury.

Pr&auml;diktive Biomarker k&ouml;nnen n&uuml;tzlich zur Erkennung, Diagnose und Einsch&auml;tzung des Risikos von Restenose und vaskul&auml;re Sch&auml;digung sein. Wir verwendet Proteomic Profilerstellung, um Protein-Marker im Blut nach vaskul&auml;re Sch&auml;digung zu identifizieren, und best&auml;tigt die differenzielle Proteinexpression mit immunologischen Ans&auml;tzen. Ratten unterzog sich Verletzungen der Halsschlagader, und Plasma nach 2 oder 5 Wochen gesammelt. Proteomic profiling wurde von zweidimensionalen differenzielle in-Gel-Elektrophorese durchgef&uuml;hrt. Die differentiell exprimierten Plasmaproteine wurden durch Massenspektroskopie identifiziert und durch Immunoblotting best&auml;tigt. Proteomic profiling von zweidimensionalen differenzielle in-Gel-Elektrophorese und Massenspektroskopie offenbart Plasmaproteine, die 2 Wochen nach Verletzung differenziell ausgedr&uuml;ckt wurden. Die Proteine erkennbar enthalten Vitamin D bindende Protein (VDBP), Aldolase Aldo A und ApolipoproteinE (ApoE). Immunoblotting Ergebnisse validiert eine deutliche Verringerung dieser Proteine im Plasma 2 oder 5 Wochen nach vaskul&auml;re Sch&auml;digung, im Vergleich zu Kontrolltieren vaskul&auml;re unverletzt. Diese Forschungsergebnisse legen nahe, dass VDBP, Aldo A und ApoE Biomarker f&uuml;r vaskul&auml;re Sch&auml;digung, m&ouml;glicherweise die wichtige prognostische und diagnostische Auswirkungen haben wird.

Proteomic Identifizierung von Biomarkern vaskul&auml;re Sch&auml;digung.

Trauma injuries often cause peripheral nerve damage and disability. A goal in neural tissue engineering is to develop synthetic nerve conduits for peripheral nerve regeneration having therapeutic efficacy comparable to that of autografts. Nanofibrous conduits with aligned nanofibers have been shown to promote nerve regeneration, but current fabrication methods rely on rolling a fibrous sheet into the shape of a conduit, which results in a graft with inconsistent size and a discontinuous joint or seam. In addition, the long-term effects of nanofibrous nerve conduits, in comparison with autografts, are still unknown. Here we developed a novel one-step electrospinning process and, for the first time, fabricated a seamless bi-layer nanofibrous nerve conduit: the luminal layer having longitudinally aligned nanofibers to promote nerve regeneration, and the outer layer having randomly organized nanofibers for mechanical support. Long-term in vivo studies demonstrated that bi-layer aligned nanofibrous nerve conduits were superior to random nanofibrous conduits and had comparable therapeutic effects to autografts for nerve regeneration. In summary, we showed that the engineered nanostructure had a significant impact on neural tissue regeneration in situ. The results from this study will also lead to the scalable fabrication of engineered nanofibrous nerve conduits with designed nanostructure. This technology platform can be combined with drug delivery and cell therapies for tissue engineering.

Engineering bi-layer nanofibrous conduits for peripheral nerve regeneration.

Trauma Verletzungen verursachen oft periphere Nervensch&auml;den und Behinderung. Ein Ziel im Nervengewebe Engineering ist synthetischen Nerven Leitungen f&uuml;r periphere Nervenregeneration mit therapeutischen Wirksamkeit vergleichbar mit der Autotransplantate zu entwickeln. Nanofibrous Leitungen mit ausgerichteten Nanofasern haben gezeigt worden, um die F&ouml;rderung der Nervenregeneration, aber aktuelle Fabrikation Methoden beruhen auf Rollen ein faseriges Blatt in die Form eines Conduits, die Ergebnisse in ein Transplantat mit inkonsistenten Gr&ouml;&szlig;e und eine diskontinuierliche Gelenk- oder Naht. Dar&uuml;ber hinaus sind die langfristigen Auswirkungen der Nanofibrous Nerven Leitungen, im Vergleich zu Autotransplantate, noch unbekannt. Hier entwickelten wir einen neuartige einstufigen Elektrospinnen Prozess und, zum ersten Mal fabriziert einen nahtlose Bi-Schicht Nanofibrous Nerv Conduit: der luminalen Schicht haben in L&auml;ngsrichtung ausgerichtet Nanofasern Nervenregeneration zu f&ouml;rdern und die &auml;u&szlig;ere Schicht, die nach dem Zufallsprinzip Nanofasern f&uuml;r mechanische Unterst&uuml;tzung organisiert. Langfristige in-vivo-Studien gezeigt, dass Bi-Schicht ausgerichteten Nanofibrous Nerven Leitungen zuf&auml;llige Nanofibrous Leitungen &uuml;berlegen waren und vergleichbare therapeutische Wirkungen Autotransplantate f&uuml;r Nervenregeneration hatte. Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass die manipulierte Nanostruktur erhebliche Auswirkungen auf neuronale Geweberegeneration in-situ hatte. Die Ergebnisse dieser Studie f&uuml;hrt auch zu die skalierbare Fertigung &uuml;ber manipulierte Nanofibrous Nerv Conduits mit gestalteten Nanostruktur. Dieser Technologieplattform kombinierbar mit medikament&ouml;sen Therapien von Lieferung und Zelle f&uuml;r Tissue-Engineering.

Ingenieur Bi-Schicht Nanofibrous Schutzrohr f&uuml;r periphere Nervenregeneration.

Histone deacetylation and acetylation are catalyzed by histone deacetylase (HDAC) and histone acetyltransferase, respectively, which play important roles in the regulation of chromatin remodeling, gene expression, and cell functions. However, whether and how biophysical cues modulate HDAC activity and histone acetylation is not well understood. Here, we tested the hypothesis that microtopographic patterning and mechanical strain on the substrate regulate nuclear shape, HDAC activity, and histone acetylation. Bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs) were cultured on elastic membranes patterned with parallel microgrooves 10 Î¼m wide that kept MSCs aligned along the axis of the grooves. Compared with MSCs on an unpatterned substrate, MSCs on microgrooves had elongated nuclear shape, a decrease in HDAC activity, and an increase of histone acetylation. To investigate anisotropic mechanical sensing by MSCs, cells on the elastic micropatterned membranes were subjected to static uniaxial mechanical compression or stretch in the direction parallel or perpendicular to the microgrooves. Among the four types of loads, compression or stretch perpendicular to the microgrooves caused a decrease in HDAC activity, accompanied by the increase in histone acetylation and slight changes of nuclear shape. Knocking down nuclear matrix protein lamin A/C abolished mechanical strain-induced changes in HDAC activity. These results demonstrate that micropattern and mechanical strain on the substrate can modulate nuclear shape, HDAC activity, and histone acetylation in an anisotropic manner and that nuclear matrix mediates mechanotransduction. These findings reveal a new mechanism, to our knowledge, by which extracellular biophysical signals are translated into biochemical signaling events in the nucleus, and they will have significant impact in the area of mechanobiology and mechanotransduction.

Biophysical regulation of histone acetylation in mesenchymal stem cells.

Histon-Deacetylierung und Acetylierung sind katalysiert durch Histon-Deacetylase (HDAC) und Histon-Acetyltransferase, bzw. die spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation des Chromatin umgestalten, Genexpression und Zelle-Funktionen. Jedoch, ob und wie die biophysikalische Signale modulieren HDAC-Aktivit&auml;t und Histon-Acetylierung nicht gut versteht. Hier haben wir die Hypothese, dass Microtopographic Musterung und mechanische Belastung auf dem Substrat nukleare Form, HDAC-Aktivit&auml;t und Histon-Acetylierung Regeln getestet. Knochenmark mesenchymaler Stammzellen (MSCs) wurden kultiviert, auf elastische Membranen mit parallelen Microgrooves 10 &mu;m breit, die MSCs ausgerichtet entlang der Achse der Rillen gehalten gemustert. Verglichen mit MSCs auf einem ungemusterten Substrat, hatte MSCs auf Microgrooves, nukleare l&auml;nglichen, eine Abnahme der HDAC-Aktivit&auml;t und eine Steigerung von Histon-Acetylierung. Um zu untersuchen, anisotropen mechanischen Abtastung von MSCs, wurden Zellen auf den elastischen Micropatterned Membranen statische einachsige mechanische Kompression oder Dehnung in Richtung parallel oder senkrecht zu den Microgrooves unterworfen. Unter den vier Arten von Lasten verursacht Kompression oder Strecke senkrecht zu der Microgrooves eine Abnahme der HDAC-Aktivit&auml;t, begleitet von der Zunahme Histon Acetylierung und geringf&uuml;gige &Auml;nderungen der nuklearen Form. Zerschlugen die nukleare Matrixprotein abgeschafft lamin a/c mechanische Belastung induziert Ver&auml;nderungen in HDAC-Aktivit&auml;t. Diese Ergebnisse zeigen, dass micropat- und die mechanische Belastung auf dem Substrat nuklearen Form, HDAC-Aktivit&auml;t, modulieren k&ouml;nnen und Histon-Acetylierung in einer anisotropen Weise und Nuklear Matrix Mechanotransduction vermittelt. Diese Ergebnisse zeigen einen neuen Mechanismus, um unser Wissen, durch die extrazellul&auml;re biophysikalische Signale in biochemische Signalling Ereignissen im Zellkern, &uuml;bersetzt werden und sie haben erhebliche Auswirkungen im Bereich der Mechanobiology und Mechanotransduction.

Article	Year
Designation of the TARP syndrome and linkage to Xp11.23-q13.3 without samples from affected patients. American journal of medical genetics. Part A\| PubMed ID: 12794682	2003
Regulation of vascular smooth muscle cells and mesenchymal stem cells by mechanical strain. Molecular & cellular biomechanics : MCB\| PubMed ID: 16711069	2006
Anisotropic mechanosensing by mesenchymal stem cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America\| PubMed ID: 17060641	2006
Bioactive nanofibers: synergistic effects of nanotopography and chemical signaling on cell guidance. Nano letters\| PubMed ID: 17567179	2007
Mechanobiology of mesenchymal stem cells and their use in cardiovascular repair. Frontiers in bioscience : a journal and virtual library\| PubMed ID: 17569633	2007
Differential effects of x-rays and high-energy 56Fe ions on human mesenchymal stem cells. International journal of radiation oncology, biology, physics\| PubMed ID: 19101095	2009
Proteomic Profiling of Mesenchymal Stem Cell Responses to Mechanical Strain and TGF-beta1. Cellular and molecular bioengineering\| PubMed ID: 20037637	2009
The effect of fiber alignment and heparin coating on cell infiltration into nanofibrous PLLA scaffolds. Biomaterials\| PubMed ID: 20122725	2010
Transforming growth factor-beta and notch signaling mediate stem cell differentiation into smooth muscle cells. Stem cells (Dayton, Ohio)\| PubMed ID: 20146266	2010
Engineering Bi-layer Nanofibrous Conduits for Peripheral Nerve Regeneration. Tissue engineering. Part C, Methods\| PubMed ID: 21385067	2011
Dura mater regeneration with a novel synthetic, bilayered nanofibrous dural substitute: an experimental study. Nanomedicine (London, England)\| PubMed ID: 21385135	2011
Proteomic identification of biomarkers of vascular injury. American journal of translational research\| PubMed ID: 21416056	2011
Engineering bi-layer nanofibrous conduits for peripheral nerve regeneration. Tissue engineering. Part C, Methods\| PubMed ID: 21501089	2011
Biophysical regulation of histone acetylation in mesenchymal stem cells. Biophysical journal\| PubMed ID: 21504726	2011

Kyle Kurpinski

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