Вплив желатину на властивості мезенхімальних стромальних клітин при культивуванні та гіпотермічному зберіганні в складі альгінатних капсул типу «ядро-оболонка»

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/2519-8025.2026.356113

Ключові слова:

мезенхімальні стромальні клітини, альгінатні капсули, системи типу «ядро–оболонка», желатин, тривимірне культивування клітин, метаболічна активність, життєздатність клітин, інкапсуляція клітин, амбієнтне зберігання, тканинна інженерія

Анотація

Мезенхімальні стромальні клітини (МСК) широко застосовуються в регенеративній медицині та клітинній інженерії, проте традиційні двовимірні системи культивування не відтворюють фізіологічного мікрооточення клітин і обмежують збереження їх функціонального стану.

Мета.Метою роботи було дослідити вплив концентрації желатину в ядрі альгінатних капсул типу «ядро–оболонка» на життєздатність, метаболічну активність та просторову організацію мезенхімальних стромальних клітин кісткового мозку людини.

Матеріали та методи. Альгінатні капсули типу «ядро–оболонка» отримували методом коаксіального електророзпилення з використанням альгінатної оболонки та гідрогелевого ядра з різним вмістом желатину (0; 2,5; 5 та 7,5% мас./об.). Реологічні властивості матеріалів ядра та оболонки оцінювали методом ротаційної реометрії. Життєздатність клітин визначали за допомогою флуоресцентного тесту Live/Dead, метаболічну активність — за допомогою тесту Alamar Blue, а просторову організацію клітин аналізували методами світлової та флуоресцентної мікроскопії. Капсули культивували за фізіологічних умов протягом 17 діб, після чого переводили на зберігання за амбієнтної температури.

Результати. Усі варіанти капсул забезпечували високу життєздатність МСК під час тривалого культивування. Водночас функціональний стан клітин суттєво залежав від складу ядра. Капсули з 2,5% желатину характеризувалися найбільш вираженим зростанням метаболічної активності та формуванням взаємопов’язаних мережеподібних клітинних структур. Підвищення концентрації желатину до 5–7,5% супроводжувалося зниженням метаболічної активності та утворенням компактних клітинних агрегатів. Після зберігання за амбієнтної температури (22 °C) у всіх групах спостерігалося зниження метаболічної активності, тоді як життєздатність клітин залишалася стабільною.

Висновки. Концентрація желатину в ядрі капсул є ключовим фактором, що регулює функціональний стан МСК у тривимірних системах культивування. Альгінатні капсули типу «ядро–оболонка» є перспективною платформою для короткочасного зберігання та транспортування клітин із збереженням їх життєздатності та структурної організації

Біографії авторів

Олександра Сергіївна Губеня, Інститут проблем кріобіології і криомедицини НАН України; Leibniz University Hannover

Молодший науковий співробітник

Відділ кріобіохімії

Researcher

Institute for Multiphase Processes

Sara Leal Marin, Leibniz University Hannover

Doctor of Engineering, Postdoctoral Researcher

Institute for Multiphase Processes

Наталя Анатоліївна Труфанова, Інститут проблем кріобіології і криомедицини НАН України

Кандидат біологічних наук

Відділ кріобіохімії

Євген Генадійович Іванов, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

Доктор біологічних наук, доцент

Кафедра молекулярної біології та біотехнології

 

Birgit Glasmacher, Leibniz University Hannover

Doctor of Engineering, Professor

Institute for Multiphase Processes

Олександр Юрійович Петренко, Інститут проблем кріобіології і криомедицини НАН України

Доктор біологічних наук, професор

Відділ кріобіохімії

Посилання

  1. Merimi, M., El-Majzoub, R., Lagneaux, L., Moussa Agha, D., Bouhtit, F., Meuleman, N. et al. (2021). The Therapeutic Potential of Mesenchymal Stromal Cells for Regenerative Medicine: Current Knowledge and Future Understandings. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 9. https://doi.org/10.3389/fcell.2021.661532
  2. Song, N., Scholtemeijer, M., Shah, K. (2020). Mesenchymal Stem Cell Immunomodulation: Mechanisms and Therapeutic Potential. Trends in Pharmacological Sciences, 41 (9), 653–664. https://doi.org/10.1016/j.tips.2020.06.009
  3. Hass, R., Kasper, C., Böhm, S., Jacobs, R. (2011). Different populations and sources of human mesenchymal stem cells (MSC): A comparison of adult and neonatal tissue-derived MSC. Cell Communication and Signaling, 9 (1). https://doi.org/10.1186/1478-811x-9-12
  4. Rybkowska, P., Radoszkiewicz, K., Kawalec, M., Dymkowska, D., Zabłocka, B., Zabłocki, K., Sarnowska, A. (2023). The Metabolic Changes between Monolayer (2D) and Three-Dimensional (3D) Culture Conditions in Human Mesenchymal Stem/Stromal Cells Derived from Adipose Tissue. Cells, 12 (1), 178. https://doi.org/10.3390/cells12010178
  5. Kusuma, G. D., Li, A., Zhu, D., McDonald, H., Inocencio, I. M., Chambers, D. C. et al. (2022). Effect of 2D and 3D Culture Microenvironments on Mesenchymal Stem Cell-Derived Extracellular Vesicles Potencies. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 10. https://doi.org/10.3389/fcell.2022.819726
  6. Pan, Y., Han, L., Yang, Y., Wu, X., Wang, A., Xie, L. et al. (2025). Alternating 2D and 3D culture reduces cell size and extends the lifespan of placenta-derived mesenchymal stem cells. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 13. https://doi.org/10.3389/fbioe.2025.1632810
  7. Pangjantuk, A., Kaokaen, P., Kunhorm, P., Chaicharoenaudomrung, N., Noisa, P. (2024). 3D culture of alginate-hyaluronic acid hydrogel supports the stemness of human mesenchymal stem cells. Scientific Reports, 14 (1). https://doi.org/10.1038/s41598-024-54912-1
  8. Yin, S., Wu, H., Huang, Y., Lu, C., Cui, J., Li, Y. et al. (2024). Structurally and mechanically tuned macroporous hydrogels for scalable mesenchymal stem cell–extracellular matrix spheroid production. Proceedings of the National Academy of Sciences, 12 1(28). https://doi.org/10.1073/pnas.2404210121
  9. Ashimova, A., Yegorov, S., Negmetzhanov, B., Hortelano, G. (2019). Cell Encapsulation Within Alginate Microcapsules: Immunological Challenges and Outlook. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 7. https://doi.org/10.3389/fbioe.2019.00380
  10. Eleftheriadou, D., Evans, R. E., Atkinson, E., Abdalla, A., Gavins, F. K. H., Boyd, A. S. et al. (2022). An alginate-based encapsulation system for delivery of therapeutic cells to the CNS. RSC Advances, 12 (7), 4005–4015. https://doi.org/10.1039/d1ra08563h
  11. Lee, K. Y., Mooney, D. J. (2012). Alginate: Properties and biomedical applications. Progress in Polymer Science, 37 (1), 106–126. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2011.06.003
  12. Qian, W., Bai, H., Yan, Y., Bi, Q. (2024). Regulation of physicochemical properties of alginate-based hydrogels and preliminary applications in wound healing. International Journal of Biological Macromolecules, 283, 137617. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.137617
  13. Sarker, B., Rompf, J., Silva, R., Lang, N., Detsch, R., Kaschta, J. et al. (2015). Alginate-based hydrogels with improved adhesive properties for cell encapsulation. International Journal of Biological Macromolecules, 78, 72–78. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2015.03.061
  14. Caliari, S. R., Burdick, J. A. (2016). A practical guide to hydrogels for cell culture. Nature Methods, 13 (5), 405–414. https://doi.org/10.1038/nmeth.3839
  15. Bennacef, C., Desobry, S., Probst, L., Desobry-Banon, S. (2023). Alginate Based Core–Shell Capsules Production through Coextrusion Methods: Recent Applications. Foods, 12 (9), 1788. https://doi.org/10.3390/foods12091788
  16. Liang, X., Xie, L., Zhang, Q., Wang, G., Zhang, S., Jiang, M. et al. (2022). Gelatin methacryloyl-alginate core-shell microcapsules as efficient delivery platforms for prevascularized microtissues in endodontic regeneration. Acta Biomaterialia, 144, 242–257. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2022.03.045
  17. Wang, N., Adams, G., Buttery, L., Falcone, F. H., Stolnik, S. (2009). Alginate encapsulation technology supports embryonic stem cells differentiation into insulin-producing cells. Journal of Biotechnology, 144 (4), 304–312. https://doi.org/10.1016/j.jbiotec.2009.08.008
  18. Gryshkov, O., Pogozhykh, D., Hofmann, N., Pogozhykh, O., Mueller, T., Glasmacher, B. (2014). Encapsulating Non-Human Primate Multipotent Stromal Cells in Alginate via High Voltage for Cell-Based Therapies and Cryopreservation. PLoS ONE, 9 (9), e107911. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0107911
  19. Gryshkov, O., Mutsenko, V., Tarusin, D., Khayyat, D., Naujok, O., Riabchenko, E. et al. (2021). Coaxial Alginate Hydrogels: From Self-Assembled 3D Cellular Constructs to Long-Term Storage. International Journal of Molecular Sciences, 22 (6), 3096. https://doi.org/10.3390/ijms22063096
  20. Rauch, J., Francis, E., Viljoen, H. (2024). Optimizing alginate tubes for cell culture. Biomedical Engineering Advances, 7, 100113. https://doi.org/10.1016/j.bea.2024.100113
  21. Gladukh, I., Podorozhna, M. (2021). Study of structural and mechanical properties of sodium alginate gels. EUREKA: Health Sciences, 2, 82–89. https://doi.org/10.21303/2504-5679.2021.001732
  22. Hilbig, J., Hartlieb, K., Gibis, M., Herrmann, K., Weiss, J. (2020). Rheological and mechanical properties of alginate gels and films containing different chelators. Food Hydrocolloids, 101, 105487. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2019.105487
  23. Ouwerx, C., Velings, N., Mestdagh, M. M., Axelos, M. A. V. (1998). Physico-chemical properties and rheology of alginate gel beads formed with various divalent cations. Polymer Gels and Networks, 6 (5), 393–408. https://doi.org/10.1016/s0966-7822(98)00035-5
  24. Rebelatto, C. K., Aguiar, A. M., Moretão, M. P., Senegaglia, A. C., Hansen, P., Barchiki, F. et al. (2008). Dissimilar Differentiation of Mesenchymal Stem Cells from Bone Marrow, Umbilical Cord Blood, and Adipose Tissue. Experimental Biology and Medicine, 233 (7), 901–913. https://doi.org/10.3181/0712-rm-356
  25. Dominici, M., Le Blanc, K., Mueller, I., Slaper-Cortenbach, I., Marini, F. C., Krause, D. S. et al. (2006). Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy, 8 (4), 315–317. https://doi.org/10.1080/14653240600855905
  26. Eyckmans, J., Lin, G. L., Chen, C. S. (2012). Adhesive and mechanical regulation of mesenchymal stem cell differentiation in human bone marrow and periosteum-derived progenitor cells. Biology Open, 1 (11), 1058–1068. https://doi.org/10.1242/bio.20122162
  27. Brun-Graeppi, A. K. A. S., Richard, C., Bessodes, M., Scherman, D., Merten, O.-W. (2011). Cell microcarriers and microcapsules of stimuli-responsive polymers. Journal of Controlled Release, 149 (3), 209–224. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2010.09.023
  28. Ke, C.-J., Chiu, K.-H., Chen, C.-Y., Huang, C.-H., Yao, C.-H. (2021). Alginate-gelatin based core-shell capsule enhances the osteogenic potential of human osteoblast-like MG-63 cells. Materials & Design, 210, 110109. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110109
  29. Khanmohammadi, M., Zolfagharzadeh, V., Bagher, Z., Soltani, H., Ai, J. (2020). Cell encapsulation in core-shell microcapsules through coaxial electrospinning system and horseradish peroxidase-catalyzed crosslinking. Biomedical Physics & Engineering Express, 6 (1), 015022. https://doi.org/10.1088/2057-1976/ab6035
  30. Depta, P. N., Gurikov, P., Schroeter, B., Forgács, A., Kalmár, J., Paul, G. et al. (2021). DEM-Based Approach for the Modeling of Gelation and Its Application to Alginate. Journal of Chemical Information and Modeling, 62 (1), 49–70. https://doi.org/10.1021/acs.jcim.1c01076
  31. Braissant, O., Astasov-Frauenhoffer, M., Waltimo, T., Bonkat, G. (2020). A Review of Methods to Determine Viability, Vitality, and Metabolic Rates in Microbiology. Frontiers in Microbiology, 11. https://doi.org/10.3389/fmicb.2020.547458
  32. Kroll, P., Eilers, K., Fricke, J., & Herwig, C. (2016). Impact of cell lysis on the description of cell growth and death in cell culture. Engineering in Life Sciences, 17 (4), 440–447. https://doi.org/10.1002/elsc.201600088
  33. Garcia‐Aponte, O. F., Kahlenberg, S., Kouroupis, D., Egger, D., Kasper, C. (2025). Effects of Hydrogels on Mesenchymal Stem/Stromal Cells Paracrine Activity and Extracellular Vesicles Production. Journal of Extracellular Vesicles, 14 (3). https://doi.org/10.1002/jev2.70057
  34. Neves, M. I., Moroni, L., Barrias, C. C. (2020). Modulating Alginate Hydrogels for Improved Biological Performance as Cellular 3D Microenvironments. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 8. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00665
  35. Tsutsumi, S., Shimazu, A., Miyazaki, K., Pan, H., Koike, C., Yoshida, E. et al. (2001). Retention of Multilineage Differentiation Potential of Mesenchymal Cells during Proliferation in Response to FGF. Biochemical and Biophysical Research Communications, 288 (2), 413–419. https://doi.org/10.1006/bbrc.2001.5777
  36. Discher, D. E., Janmey, P., Wang, Y. (2005). Tissue Cells Feel and Respond to the Stiffness of Their Substrate. Science, 310 (5751), 1139–1143. https://doi.org/10.1126/science.1116995
  37. Nichol, J. W., Koshy, S. T., Bae, H., Hwang, C. M., Yamanlar, S., Khademhosseini, A. (2010). Cell-laden microengineered gelatin methacrylate hydrogels. Biomaterials, 31 (21), 5536–5544. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2010.03.064
  38. Bupphathong, S., Quiroz, C., Huang, W., Chung, P.-F., Tao, H.-Y., Lin, C.-H. (2022). Gelatin Methacrylate Hydrogel for Tissue Engineering Applications – A Review on Material Modifications. Pharmaceuticals, 15 (2), 171. https://doi.org/10.3390/ph15020171

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-03-31

Як цитувати

Губеня, О. С., Marin, S. L., Труфанова, Н. А., Іванов, Є. Г., Glasmacher, B., & Петренко, О. Ю. (2026). Вплив желатину на властивості мезенхімальних стромальних клітин при культивуванні та гіпотермічному зберіганні в складі альгінатних капсул типу «ядро-оболонка». ScienceRise: Biological Science, (1 (45), 19–29. https://doi.org/10.15587/2519-8025.2026.356113

Номер

№ 1 (45) (2026)

Розділ

Біологічні дослідження

Ліцензія

Авторське право (c) 2026 Oleksandra Hubenia, Sara Leal Marin, Natalia Trufanova, Ievgen Ivanov, Birgit Glasmacher, Oleksandr Petrenko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Наше видання використовує положення про авторські права Creative Commons CC BY для журналів відкритого доступу. 

Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:

1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.

2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.