Investigating the Impact of Regular, Oxidized, and RGD-Modified Alginate on the Morphology, Viability, and Collagen Production in Preosteoblast Spheroids

Abstract

Tradisjonelle 2D-systemer for å studere benvev in vitro mangler fysiologisk relevans, noe som gjør det utfordrende å forstå alle aspekter ved biomineralisering, en prosess assosiert med flere degenerative bensykdommer. Vevsregenerativ behandling har blitt en lovende forskningsplattform for benrelaterte sykdommer, samt biomaterialer for vevsregnerative applikasjoner. Imidlertid er eksisterende biomaterialer ofte lite biokompatible og har svake celleforbindelser. Denne studien undersøkte pre-osteoblastiske MC3T3-E1 sfæroider, med en startdiameter på 300-400 µm som var innkapslet i hydrogeler bestående av enten vanlig alginat, oksidert alginat eller RGD-modifisert alginat. Morfologien, levedyktigheten og kollagenproduksjonen til sfæroidene i de ulike alginat-hydrogelene ble evaluert ved bruk av fasekontrastmikroskopi, konfokalmikroskopi og andre-harmonisk generasjonsmikroskopi. Størrelsesanalysene viste at sfæroidene i RGD-modifisert alginat ble redusert med 46% i vanlig vekstmedium (GM) og 40% i differensieringsmedium (DM), sammenliknet med 50% i oksidert alginat i begge medier, samt 53% i vanlig alginat i GM og 47% i DM. Cellevekst ut fra sfæroidene innad i hydrogelen ble kun observert i RGD-modifisert alginat. Prosentandelen levende celler blant sfæroider kultivert i GM var 74.0% i RGD-modifisert alginat, 65.3% i oksidert alginat og 57.8% i vanlig alginat. I tillegg ble kollagen kun funnet i RGD-modifisert alginat. Disse resultatene indikerer at RGD fremmer celleproliferasjon, levedyktighet og kollagenproduksjon i pre-osteoblastiske sfæroider. Dette kan potensielt løse utfordringen med dårlig celleadhesjon i vanlig alginat. Videre har denne studien introdusert en nyskapende 3D-modell som muliggjør studier av celle-ECM-interaksjoner og biomineralisering. Selv om modellen er en forenklet representasjon av in vivo benvev, har den vist at RGD-modifisert alginat kan være et mer biokompatibelt biomateriale med potensial innenfor vevsregenerativ behandling for ben.

Conventional 2D approaches for studying bone tissue in vitro lack physiological relevance, making it challenging to advance insights into biomineralization, a process associated with several degenerative bone diseases. Bone tissue engineering has emerged as a promising research platform for bone-related diseases and the use of biomaterials in bone regenerative applications. However, traditional biomaterials often lack proper cellular adhesion and biocompatibility. In this study, MC3T3-E1 preosteoblast spheroids, with an initial diameter of 300-400 µm, were encapsulated in three different hydrogels consisting of regular alginate, oxidized alginate, and RGD-modified alginate. The spheroid morphology, cellular viability, and collagen production were assessed among the alginate hydrogels using phase contrast microscopy, confocal microscopy, and second harmonic generation imaging. The data revealed that spheroids in RGD-modified alginate shrank with 46% in normal growth medium (GM) and 40% in differentiation medium (DM), compared to 50% in oxidized alginate in both media, and 53% in regular alginate in GM and 47% in DM. Cellular protrusion was observed only from spheroids embedded in the RGD-modified alginate, eventually resulting in an extensive cellular network growing within the hydrogel. The viability assays in GM confirmed the highest percentage of live cells in the RGD-modified alginate: 74.0%, compared to 65.3% in oxidized alginate and 57.8% in regular alginate. Collagen production was detected only in the RGD-modified alginate. These results suggest that RGD enhances cellular proliferation, viability, and collagen production in preosteoblast spheroids, potentially addressing the challenge of poor cellular adhesion in regular alginate. Additionally, this study proposes a novel 3D model system for studying cell-ECM interactions and biomineralization. Despite this model being a simplified representation of in vivo human bone tissue, it has demonstrated the potential use of RGD-modified alginate as a more biocompatible biomaterial in bone tissue engineering.