Development of bioactive implant platforms to assist cardiac tissue repair after myocardial infarction

Abstract

La necrosi irreversible del múscul cardíac es coneix com infart de miocardi (MI) i es dóna quan la isquèmia supera el llindar crític y depassa els mecanismes cel·lulars de reparació. Després d’un MI, el teixit cardíac no té la capacitat suficient d’autoregeneració i com a conseqüència, la isquèmia pot causar la mort, moderada o severa, del teixit. L’enginyeria de teixits és un camp emergent interdisciplinari enfocat a l’obtenció de cultius tridimensionals (3D) emprats per a dos propòsits diferents: aportar eines biomèdiques amb potencial aplicació en la substitució, reparació i regeneració del teixit; o permetre l’estudi in vitro de la fisiologia i la fisiopatologia de manera més precisa. En aquesta tesi s’ha desenvolupat i analitzat un model 3D in vitro basat en el pèptid autoensamblant RAD16-I, i un implant bioactiu per a la reparació del teixit cardíac dins del marc del projecte europeu RECATABI. Els models 3D poden ajudar-nos a estudiar els paràmetres biofísics, biomecànics i bioquímics que regulen la diferenciació cel•lular. En la present tesis, s’ha desenvolupat un model 3D per analitzar el comportament de cèl·lules progenitores derivades de teixit adipós subcutani (subATDPCs) en termes de viabilitat, creixement i expressió gènica, sota la influència de diferents estímuls. Per una altra banda, s’ha desenvolupat un mètode simple i innovador per a l’estudi de l’efecte de l’estímul elèctric en cèl•lules cultivades en el model 3D proposat. L’objectiu final d’aquest model in vitro és entendre millor el comportament que poden tenir aquestes cèl•lules in vivo després de ser implantades. D’aquesta manera s’espera poder millorar la seva actuació en la regeneració o reparació del teixit infartat. S’ha proposat amb anterioritat que l’empelt de cèl·lules progenitores en l’àrea afectada pot contribuir en la generació d’un nou teixit de miocardi. La nostra hipòtesi es basa en que aquest mecanisme es pot millorar amb l’aplicació d’un implant bioactiu que pugui mantenir les cèl·lules en la localització d’implantació, suportar el comportament mecànic del cor i a la vegada proporcionar un micoambient adequat per a les cèl·lules implantades. Amb aquest objectius, es va preparar un material combinant consistent en la inclusió del RAD16-I dins dels microporus de membranes elastomèriques. L’objectiu d’aquest estudi és avaluar la capacitat de sembra d’aquesta plataforma i la supervivència, creixement i expressió gènica de les subATDPCs en el material combinat. Es descriu el desenvolupament i caracterització de bioimplants basats en dues membranes elastomèriques: polietilacrilat (PEA) i policaprolactona 2-metacrilociloxi etil ester (PCLMA). Ambdues són bons materials de suport i també són suficientment elàstiques per a suportar els esforços resultants del batec del cor. A més, ambdós materials compostos faciliten la propagació dels impulsos elèctrics i permeten el manteniment d’expressió gènica de les subATDPCs. Es proposa doncs que els implants bioactius (membranes elastomèriques amb pèptid autoensamblant i subATDPCs) poden millorar l’eficàcia de futures teràpies cel·lulars augmentant la immobilització i supervivència de les cèl·lules en l’àrea afectada.

La necrosis irreversible del músculo cardíaco se conoce como infarto de miocardio (MI) y se da cuando la isquemia supera el umbral crítico y rebasa los mecanismos celulares de reparación. Después de un MI, el tejido cardíaco no tiene la capacidad suficiente de autoregeneración y como consecuencia, la isquemia puede causar la muerte, moderada o severa, del tejido. La ingeniería de tejidos es un campo emergente interdisciplinar enfocado a obtener cultivos tridimensionales (3D) con dos propósitos distintos: aportar herramientas biomédicas con potencial aplicación en la substitución, reparación y regeneración del tejido; o permitir el estudio in vitro de la fisiología y la patofisiología de manera más precisa. En la presente tesis se ha desarrollado y analizado un modelo in vitro 3D basado en el péptido autoensamblable RAD16-I y un implante bioactivo para la reparación del tejido cardíaco dentro del marco del proyecto europeo RECATABI. Los modelos 3D pueden ayudarnos a estudiar los parámetros biofísicos, biomecánicos y bioquímicos que regulan la diferenciación celular. En esta tesis, hemos desarrollado un modelo 3D para analizar el comportamiento de células progenitoras derivadas de tejidos adiposo subcutáneo (subATDPCs) en términos de viabilidad, crecimiento y expresión génica, bajo la influencia de diferentes estímulos. Por otro lado, se ha desarrollado un método simple y novedoso para el estudio del efecto de un estímulo eléctrico en células encapsuladas en el modelo 3D. El objetivo final de este modelo in vitro es entender mejor el comportamiento que estas pueden tener células in vivo después de su implantación. De esta manera se espera poder mejorar su actuación en términos de regeneración o reparación del tejido infartado. Se ha propuesto con anterioridad que el injerto de células progenitoras en el área infartada puede contribuir en la generación de un nuevo tejido de miocardio. Nuestra hipótesis se basa en que este mecanismo puede ser mejorado con la aplicación de un implante bioactivo que pueda mantener las células en la localización de implantación, soportar el comportamiento mecánico del corazón y a la vez proporcionar un microambiente adecuado a las células implantadas. Con estos objetivos se preparó un material combinado consistente en la inclusión del RAD16-I dentro de los microporos de membranas elastoméricas. El objetivo de este estudio es evaluar la capacidad de siembra de esta plataforma y la supervivencia, crecimiento y expresión génica de las subATDPCs. Se describe el desarrollo y caracterización de bioimplantes basados en dos membranas elastoméricas: poli etil acrilato (PEA) y policaprolactona 2-metacriloxiloxi etil ester (PCLMA). Ambas son buenos materiales de soporte para la implantación de células y también son suficientemente elásticas para soportar los esfuerzos resultantes del latido del corazón. Se ha observado que los dos materiales compuestos facilitan la propagación de los impulsos eléctricos y permiten el mantenimiento de la expresión génica de las subATDPCs. Se propone que los implantes bioactivos (membranas elastomérica con péptido autoensamblable y subATDPCs) pueden mejorar la eficacia de futuras terapias celulares, aumentando la inmovilización y supervivencia de las células en el área afectada.

The irreversible necrosis of heart muscle (myocardial infarction, MI) occurs when ischemia exceeds a critical threshold and overwhelms myocardial cellular repair mechanisms. After MI, myocardial tissue lacks the ability to significantly regenerate itself and as a consequence, ischemia might cause moderate or severe tissue death. Tissue Engineering is an emerging interdisciplinary field focused on the obtaining of three-dimensional (3D) constructs with two different purposes: provide a set of biomedical tools with potential applicability in tissue replacement, repair and regeneration; or enable the in vitro study of cardiac human physiology and physiopathology more accurately. In this work, we have developed and analyzed a 3D in vitro model based on RAD16-I self-assembling peptide and a bioactive implant for cardiac tissue repair in the framework of RECATABI European Project. 3D models can help us to study the biophysical, biomechanical and biochemical parameters that regulate cell differentiation. In this thesis, we have developed a 3D in vitro model to analyze the behavior of subcutaneous adipose derived progenitor cells (subATDPCs) in terms of viability, growth, and gene expression, under different stimuli. Moreover, a novel and simple method to study the effect of electrical stimulus on cells growing in the 3D model has been achieved. The goal of these in vitro models is to better understand the behavior that these cells could have after their in vivo implantation with the hope to improve their performance in terms of regeneration or repair of the infarcted tissue. Stem cells have been previously proposed to be grafted into the infarcted area to contribute to the generation of new myocardial tissue. We hypothesize that this mechanism could be enhanced by the application of a bioactive implant that could maintain the cells in the implanted site, afford the mechanical heart behavior and, at the same time, provide to the implanted cells a proper microenvironment. Therefore, we have prepared a composite obtained from the combination of RAD16-I included within microporous of elastomeric membranes. The goal of the present study is to evaluate cell survival and growth, seeding capacity and gene expression of subATDPCs in the new synthetic composite scaffold platform. We have described the development and characterization of bioimplants based on two different elastomeric membranes: poly(ethyl acrylate) (PEA), and poly(caprolactone 2-(methacryloyloxy)ethyl ester, (PCLMA). Both biomaterials are a good support for cell delivery and elastic enough to withstand the stresses arising from the heartbeat. Additionally, the developed composites equally facilitated the propagation of electrical pulses and maintained subATDPCs gene expression. We have proposed that the bioactive implants (elastomeric membranes with self-assembling peptide, and subcutaneous adipose tissue derived progenitor cells) could increase the efficacy of future cardiac cell therapy by improving cell immobilization and survival at the affected site.