Cell and Tissue BiologyCell and Tissue BiologyЦитология0041-37713034-6061The Russian Academy of Sciences66956910.31857/S0041377123020037LWOREJArticlesСтатьиDevelopment of Method for Three-Dimensional Cultivation of Human Mesenchymal Stem/Stromal Cells Using Cellulose ScaffoldsРазработка метода трехмерного культивирования мезенхимных стволовых (стромальных) клеток человека с использованием матрицы из целлюлозыKuneevI. K.КунеевИ. К.aldomnina@mail.ruIvanovaJ. S.ИвановаЮ. С.aldomnina@mail.ruNashchekinaY. A.НащекинаЮ. А.aldomnina@mail.ruPatronovaE. K.ПатроноваЕ. К.aldomnina@mail.ruSokolovaA. V.СоколоваА. В.aldomnina@mail.ruDomninaA. P.ДомнинаА. П.aldomnina@mail.ruInstitute of Cytology, Russian Academy of SciencesИнститут цитологии РАН0103202365217018027022025Copyright ©; 2023, И.К. Кунеев, Ю.С. Иванова, Ю.А. Нащекина, Е.К. Патронова, А.В. Соколова, А.П. ДомнинаCopyright ©; 2023, И.К. Кунеев, Ю.С. Иванова, Ю.А. Нащекина, Е.К. Патронова, А.В. Соколова, А.П. Домнина2023И.К. Кунеев, Ю.С. Иванова, Ю.А. Нащекина, Е.К. Патронова, А.В. Соколова, А.П. ДомнинаИ.К. Кунеев, Ю.С. Иванова, Ю.А. Нащекина, Е.К. Патронова, А.В. Соколова, А.П. Домнинаhttps://vietnamjournal.ru/0041-3771/article/view/669569

The development of methods for culturing cells in three-dimensional systems is an urgent focus of modern cell biology. When cultured in the 3D system, a tissue-specific architecture is reproduced and the real microenvironment and cell behavior in vivo are more precisely recreated. Human mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) are typically isolated and cultured as a monolayer 2D culture. In this work, we developed a method for three-dimensional cultivation and tissue-specific decidual differentiation of MSCs isolated from human endometrial tissue using a matrix derived from decellularized apple. Decellularized apple matrices have sufficient mechanical strength, are biocompatible, accessible, easy to use, and have ample scope for surface modification. This cell culture system is suitable for both confocal microscopy and flow cytometry studies. The model we developed can become the basis for the creation of new cell products and tissue-engineering structures in the field of regenerative biomedicine.

Разработка методов культивирования клеток в трехмерных системах важна и необходима для развития актуальных направлений современной клеточной биологии. При культивировании в системе 3D воспроизводится тканеспецифическая архитектура, точнее воссоздается реальная микросреда и поведение клеток in vivo. Мезенхимные стволовые/стромальные клетки человека (МСК) обычно выделяют и культивируют как монослойную 2D-культуру. В данной работе мы разработали метод трехмерного культивирования и тканеспецифической децидуальной дифференцировки МСК, выделенных из ткани эндометрия человека, с использованием матрицы, полученной из децеллюляризированного яблока. Матрицы из децеллюляризированного яблока обладают достаточной механической прочностью, биосовместимы, доступны, просты в использовании и имеют широкие возможности для модификации поверхности. Данная система культивирования клеток подходит как для их изучения методом конфокальной микроскопии, так и для исследований с помощью проточной цитометрии. Разработанная нами модель может стать основой для создания новых клеточных продуктов и тканеинженерных конструкций для нужд регенеративной биомедицины.

3D cultivationdecellularized plantsendometrial mesenchymal stem/stromal cellsdecidual differentiation3D-культивированиедецеллюляризированные растенияэндометриальные мезенхимные стволовые (стромальные) клеткидецидуальная дифференцировкаКоллекция культур клеток позвоночных ЦКП Института цитологии РАН (Санкт-Петербург), из которой получены эМСК, поддержана Минобрнауки РФ (Соглашение № 075-15-2021-683).Домнина А.П., Новикова П.В., Фридлянская И.И., Шилина М.А., Зенин В.В. Никольский Н.Н. 2015. Индукция децидуальной дифференцировки в эндометриальных мезенхимных стволовых клетках. Цитология. Т. 57. № 12. С. 880. (Domnina A.P., Novikova P.V., Fridlyanskaya I.I., Shilina M.A., Zenin V.V., Nikolsky N.N. 2016. Induction of decidual differentiation of endometrial mesenchymal stem cells. Tsitologiya. V. 57. № 12. P. 880.)Земелько В.И., Гринчук Т.М., Домнина А.П., Арцыбашева И.В., Зенин В.В., Кирсанов А.А., Бичевая Н.К., Корсак В.С., Никольский Н.Н. 2011. Мультипотентные мезенхимные стволовые клетки десквамированного эндометрия. Выделение, характеристика и использование в качестве фидерного слоя для культивирования эмбриональных стволовых линий человека. Цитология. Т. 53. № 12. С. 919. (Zemelko V.I., Grinchuk T.M., Domnina A.P., Artzibasheva I.V., Zenin V.V., Kirsanov A.A., Bichevaia N.K., Korsak V.S., Nikolsky N.N. 2012. Multipotent mesenchymal stem cells of desquamated endometrium: isolation, characterization and use as feeder layer for maintenance of human embryonic stem cell lines. Cell Tiss. B-iol. (Tsitologiya). V. 6. P. 1.)Мусина Р.А., Белявский А.В., Тарусова О.В., Соловьева Е.В., Сухих Г.Т. 2008. Мезенхимные стволовые клетки эндометрия, полученные из менструальной крови. Кл. техн. биол. мед. Т. 2. С. 110. (Musina R.A., Tarusova O.V., Solovyova E.V., Sukhikh G.T., Belyavski A.V. 2008. Endometrial mesenchymal stem cells isolated from the menstrual blood. V. 145. P. 539)Bartosh T.J., Ylostalo J.H. 2019. Efficacy of 3D culture priming is maintained in human mesenchymal stem cells after extensive expansion of the cells. Cells. V. 8. P. 1031. https://doi.org/10.3390/cells8091031Baruffaldi D., Palmara G., Pirri C., Frascella F. 2021. 3D cell culture: recent development in materials with tunable stiffness. ACS Applied Bio Materials. V. 4. P. 2233. https://doi.org/10.1021/acsabm.0c01472Bilirgen A.C., Toker M., Odabas S., Yetisen A. K., Garipcan B., Tasoglu S. 2021. Plant-based scaffolds in tissue engineering. ACS Biomat. Sci. Eng. V. 7. P. 926. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.0c01527Bou-Ghannam S., Kim K., Grainger D.W. 2021. 3D cell sheet structure augments mesenchymal stem cell cytokine production. Sci Rep. V. 11. P. 8170. https://doi.org/10.1038/s41598-021-87571-7Chen G., Qi Y., Niu L., Di T., Zhong J., Fang T., Yan W. 2015. Application of the cell sheet technique in tissue engineering. Biomed. Rep. V. 3. P. 749. https://doi.org/10.3892/br.2015.522Cherng J.-H., Chou S.-C., Chen C.-L., Wang Y.-W., Chang S.-J., Fan G.-Y., Leung F.-S., Meng E. 2021. Bacterial cellulose as a potential bio-scaffold for effective re-epithelialization. Therapy Pharmaceutics. V. 13. P. 1592. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics13101592Domnina A.P., Ivanova J.V., Alekseenko L.L., Kozhukharova I.V., Borodkina A.V., Pugovkina N.A., Smirnova I.S., Lyublinskaya O.G., Fridlyanskaya I.I., Nikolsky N.N. 2020. Three-dimensional compaction switches stress response programs and enhances therapeutic efficacy of endometrial mesenchymal stem/stromal cells. Front. Cell Devel. B-iol. V. 8. P. 473. https://doi.org/10.3389/fcell.2020.00473Domnina A.P., Novikova P.V., Obidina J.I., Fridlyanskaya I.I, Alekseenko L.L., Kozhukharova I.V., Lyublinskaya O.G., Zenin V.V., Nikolsky N.N. 2018. Human mesenchymal stem cells in spheroids improve fertility in model animals with damaged endometrium. Stem Cell Res. Ther. V. 9. P. 1. https://doi.org/10.1186/s13287-018-0801-9Gargett C.E., Masuda H. 2010. Adult stem cells in the endometrium. Mol. Hum. Reprod. V. 16. P. 818. https://doi.org/10.1093/molehr/gaq061Gorgieva S., Trček J. 2019. Bacterial cellulose: production, modification and perspectives in biomedical applications. Nanomaterials. V. 9. P. 1352. https://doi.org/10.3390/nano9101352Guruswamy Damodaran R., Vermette P. 2018. Tissue and organ decellularization in regenerative medicine. Biotech. Progress. V. 34. P. 1494. https://doi.org/10.1002/btpr.2699Haycock J.W. 2011. 3D cell culture: a review of current approaches and techniques. Methods Mol. Biol. V. 695. P. 1. https://doi.org/10.1007/978-1-60761-984-0_1Husein K.S., Thiemermann C. 2010. Mesenchymal stromal cells: current understanding and clinical status. Stem Cells. V. 28. P. 585. https://doi.org/10.1002/stem.269Jauković A., Abadjieva D., Trivanović D. 2020. Specificity of 3D msc spheroids microenvironment: impact on msc behavior and properties. Stem Cell Rev. Rep. V. 16. P. 853. https://doi.org/10.1007/s12015-020-10006-9Jensen C., Teng Y. 2020. Is it time to start transitioning from 2d to 3d cell culture? Front. Mol. Biosci. V. 7. P. 33. https://doi.org/10.3389/fmolb.2020.00033Kouroupis D., Correa D. 2021. Increased mesenchymal stem cell functionalization in three-dimensional manufacturing settings for enhanced therapeutic applications. Front. Bioeng. Biotechnol. V. 9. P. 621748. https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.621748Langhans S.A. 2018. Three-dimensional in vitro cell culture models in drug discovery and drug repositioning. Front. Pharmacol. V. 9. P. 6. https://doi.org/10.3389/fphar.2018.00006Lee J., Jung H., Park N. 2019. Induced osteogenesis in plants decellularized scaffolds. Sci. Rep. V. 9. P. 20194. https://doi.org/10.1038/s41598-019-56651-0Lyublinskaya O.G., Ivanova J.S., Pugovkina N.A., Kozhukharova I.V., Kovaleva Z.V., Shatrova A.N., Aksenov N.D., Zenin V.V., Kaulin Y.A., Gamaley I.A., Nikolsky N.N. 2017. Redox environment in stem and differentiated cells: a quantitative approach. Redox Biol. V. 12. P. 758. https://doi.org/10.1016/j.redox.2017.04.016Meng X., Ichim T.E., Zhong J., Rogers A., Yin Z., Jackson J., Wang H., Ge W., Bogin V., Chan K.W., Thébaud B., Riordan N.H. 2007. Endometrial regenerative cells: a novel stem cell population. J. Transl. Med. V. 5. P. 57. https://doi.org/10.1186/1479-5876-5-57Modulevsky D.J., Cuerrier C.M., Pelling A.E. 2016. Biocompatibility of subcutaneously implanted plant-derived cellulose biomaterials. PLoS One. V. 11. P. e0157894. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0157894Modulevsky D.J., Lefebvre C., Haase K., Al-Rekabi Z., Pelling A.E. 2014. Apple derived cellulose scaffolds for 3D mammalian cell culture. PLos One. V. 9. P. e97835. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0097835Patel A.N., Park E., Kuzman M., Benetti F., Silva F.J., Allickson J.G. 2008. Multipotent menstrual blood stromal stem cells: isolation, characterization, and differentiation. Cell Transplant. V. 17. P. 303. https://doi.org/10.3727/096368908784153922Phan N.V., Wright T., Rahman M.M., Xu J., Coburn J.M. 2020. In vitro biocompatibility of decellularized cultured plant cell derived matrices. ACS Biomater. Sci. Eng. V. 6. P. 822. https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.9b00870Svensson A., Nicklasson E., Harrah T., Panilaitis B., Kaplan D.L., Brittberg M., Gatenholm P. 2005. Bacterial cellulose as a potential scaffold for tissue engineering of cartilage. Biomaterials. V. 26. P. 419. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.02.049Hu Xinqiang, Xia Zengzilu, Cai Kaiyong. 2022. Recent advances in 3D hydrogel culture systems for mesenchymal stem cell-based therapy and cell behavior regulation. J. Mater. Chem. B. V. 10. P. 1486. https://doi.org/10.1039/D1TB02537FZack G.W., Rogers W.E., Latt S.A. 1977. Automatic measurement of sister chromatid exchange frequency. J. Histochem. Cytochem. V. 25. P. 741. https://doi.org/10.1177/25.7.70454