Non-contact discrimination of human bone marrow-derived mesenchymal stem cells and fibroblasts using Raman spectroscopy

Abstract

Background

Human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (BM-MSCs) are a promising cell source for regenerative medical applications because they can be easily isolated and expanded ex vivo. However, due to the lack of specific cell surface markers, it is difficult to identify whether ex vivo isolated BM-MSC populations are free of stromal fibroblasts. Bright-field microscopical analyses are insufficient to determine fibroblastic contaminations since these two cell types have similar cell morphologies.

Materials and methods

We employed and compared traditional flow cytometric (FACS) analysis, in vitro differentiation assays, and Raman spectroscopy to distinguish between human BM-MSCs and fibroblasts.

Results

We found that FACS analysis, utilizing previously described fibroblast-identifying antibodies, was inadequate in separating stromal fibroblasts from BM-MSCs as over 75% of the BM-MSCs shared these antigens. In vitro differentiation assays revealed that, in contrast to fibroblasts, BM-MSCs could be successfully differentiated into adipocytes, osteoblasts and chondrocytes. Using this method it was possible to discriminate between the two cell types. However, the need for prolonged in vitro culture periods of up to 4 weeks is a major disadvantage of this test method. Raman spectroscopy, a non-contact technique measuring the wavelength and intensity of inelastic scattered light from molecules by employing high-power near-infrared lasers, distinguished ultra-fast between BM-MSCs and fibroblasts (integration time of 100 s/cell).

Conclusion

Based on the results, we conclude that Raman spectroscopy is a suitable tool for the rapid detection of fibroblastic contaminations in BM-MSC cultures.

Hintergrund

Aus dem Knochenmark gewonnene mesenchymale Stammzellen (BM-MSCs) sind eine vielversprechende Zellquelle für Anwendungen innerhalb der regenerativen Medizin. Es ist jedoch schwierig zu bestimmen, ob isolierte BM-MSC-Populationen frei von Fibroblasten oder anderen, die Stammzellen kontaminierenden Zellen sind. Ziel der vorliegenden Studie war es festzustellen, ob sich die Raman-Spektroskopie zur nicht-invasiven, kontaktfreien Unterscheidung humaner BM-MSCs und Fibroblasten eignet.

Material und Methoden

Es wurden verschiedene Verfahren (Durchflusszytometrie, In-vitro-Differenzierungsassays, Raman-Spektroskopie) hinsichtlich der Differenzierbarkeit humaner BM-MSCs und Fibroblasten untersucht und verglichen.

Ergebnisse

Unsere Daten zeigen, dass Hellfeld-mikroskopische Analysen allein nicht ausreichen, um Fremdzellkontaminationen zu bestimmen, da BM-MSCs und Fibroblasten sehr ähnliche Zellmorphologien aufweisen. Auch die traditionelle durchflusszytometrische (FACS)-Analyse unter Verwendung zuvor beschriebener zell-populationsspezifischer Antikörper ermöglichte keine Diskriminierung zwischen stromalen Fibroblasten und BM-MSCs. In-vitro-Differenzierungsassays zeigten, dass BM-MSCs, im Gegensatz zu Fibroblasten, erfolgreich in Adipozyten, Osteoblasten und Chondrozyten differenzierten. Allerdings stellt die Notwendigkeit einer langwierigen In-vitro-Kultur von bis zu 4 Wochen einen großen Nachteil dieser Testmethode dar. Die Raman-Spektroskopie ermöglichte hingegen die schnelle Differenzierung zwischen BM-MSCs und Fibroblasten.

Schlussfolgerung

Die Raman-Spektroskopie ist eine vielversprechende Analysemethode für die schnelle Detektion von Kontaminationen von BM-MSC-Kulturen mit Fibroblasten.