ABSTRACT The disrupted surface of porous membranes, commonly used in tissue-chip and cellular co-culture systems, is known to weaken cell-substrate interactions. Here, we investigated whether disrupted surfaces of membranes with micron and sub-micron scale pores affect YAP localization and differentiation of adipose-derived stem cells (ADSCs). We found that these substrates reduce YAP nuclear localization through decreased cell spreading, consistent with reduced cell-substrate interactions, and in turn enhance adipogenesis, while decreasing osteogenesis. Abstract Figure

Abstract Therapeutic interventions for intervertebral disc herniation remain scarce due to the inability of endogenous annulus fibrosus (AF) cells to respond to injury and drive tissue regeneration. Unlike other orthopaedic tissues, such as cartilage, delivery of exogenous cells to the site of annular injury remains underdeveloped, largely due to a lack of an ideal cell source and the invasive nature of cell isolation. Human induced pluripotent stem cells (iPSCs) can be differentiated to specific cell fates using biochemical factors and are, therefore, an invaluable tool for cell therapy approaches. While differentiation protocols have been developed for cartilage and fibrous connective tissues (e.g., tendon), the signals that regulate the induction and differentiation of human iPSCs towards the annulus fibrosus fate remain unknown. Here, we screened a number of candidate factors (and their combinations) and assessed the transcriptomic signatures of key signaling factors involved in embryonic AF development and differentiated function. The transcriptional signatures of treated cells were compared to those of mature human AF cells, and conditions that promoted expression of annulus fibrosus extracellular matrix genes and key transcription factors involved in embryonic AF development were identified. These findings represent an initial approach to guide human induced pluripotent stem cells towards an annulus fibrosus-like fate for cellular delivery strategies.

Abstract Conventional treatment for intervertebral disc herniation alleviates pain but does not repair the annulus fibrosus (AF), resulting in a high incidence of recurrent herniation and persistent disfunction. The lack of repair and the acute inflammation that arise after injury further compromises the disc and can result in disc-wide degeneration in the long term. To address this clinical need, we developed tension-activated repair patches (TARPs) for annular repair and the local delivery of bioactive anti-inflammatory factors. TARPs transmit physiologic strains to mechanically-activated microcapsules (MAMCs) embedded within, which activate and release encapsulated biomolecules in response to physiologic loading. Here, we demonstrate that the TARP design modulates implant biomechanical properties and regulates MAMC mechano-activation. Next, the FDA-approved anti-inflammatory molecule, interleukin 1 receptor antagonist, Anakinra, was loaded in TARPs and the effects of TARP-mediated annular repair and Anakinra delivery was evaluated in a model of annular injury in the goat cervical spine. TARPs showed robust integration with the native tissue and provided structural reinforcement at the injury site that prevented disc-wide aberrant remodeling resulting from AF detensioning. The delivery of Anakinra via TARP implantation improved the retention of disc biochemical composition through increased matrix deposition and retention at the site of annular injury. Anakinra delivery additionally attenuated the inflammatory response associated by scaffold implantation, decreasing osteolysis in adjacent vertebrae and preserving disc cellularity and matrix organization throughout the AF. These results demonstrate the translational and therapeutic potential of this novel TARP system for the treatment of intervertebral disc herniations. One Sentence Summary Tension-activated repair patches delivering bioactive anti-inflammatory factors improve healing in an in vivo goat cervical disc injury model.

Abstract Chondral and osteochondral repair strategies are limited by adverse bony changes that occur after injury. Bone resorption can cause entire scaffolds, engineered tissues, or even endogenous repair tissues to subside below the cartilage surface. To address this translational issue, we fabricated poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) microcapsules containing the pro-osteogenic agents triiodothyronine and ß-glycerophosphate, and delivered these microcapsules in a large animal model of osteochondral injury to preserve bone structure. We demonstrate that developed microcapsules ruptured in vitro under increasing mechanical loads, and readily sink within a liquid solution, allowing for gravity-based positioning onto the osteochondral surface. In a large animal, these mechano-active microcapsules (MAMCs) were assessed through two different delivery strategies. Intra-articular injection of control MAMCs enabled fluorescent quantification of MAMC rupture and cargo release in a synovial joint setting over time in vivo. This joint-wide injection also confirmed that the MAMCs do not elicit an inflammatory response. In the contralateral hindlimbs, chondral defects were created, MAMCs were locally administered, and nanofracture (Nfx), a clinically utilized method to promote cartilage repair, was performed. The NFx holes enabled marrow-derived stromal cells to enter the defect area and served as repeatable bone injury sites to monitor over time. Animals were evaluated 1 and 2 weeks after injection and surgery. Analysis of injected MAMCs showed that bioactive cargo was released in a controlled fashion over 2 weeks. A bone fluorochrome label injected at the time of surgery displayed maintenance of mineral labeling in the therapeutic group, but resorption in both control groups. Alkaline phosphatase (AP) staining at the osteochondral interface revealed higher AP activity in defects treated with therapeutic MAMCs. Overall, this study establishes a new micro-fluidically generated delivery platform that releases therapeutic factors in an articulating joint, and reduces this to practice in the delivery of therapeutics that preserve bone structure after osteochondral injury.