Physiological conditioning of adult progenitor cells boosts cardiac regeneration = El condicionament fisiològic de cèl·lules progenitores adultes promou la regeneració cardíaca

Abstract

The optimal cell lineage for cardiac regeneration remains elusive; and current treatments, with the exception of heart transplantation, are not enough to restore myocardial function. Thus, new strategies, such as cardiac tissue engineering, are now emerging as a new therapeutic modality. On the other hand, cardiac cells are normally subjected to electrical and mechanical forces that regulate gene expression and cellular function.

Therefore, our hypothesis claims that in vitro individual or combined synchronous electro-mechanical stimuli mimicking the cardiac environment, could mature or induce cardiac differentiation on therapeutic cells to benefit further retention and integration into the myocardium.

This thesis proposal had several goals:

1. Design an ad-hoc device to supply electrical and mechanical stimuli, individually or synchronously, to a monolayer cell culture.

2. Design a protocol for electrical, mechanical and electromechanical conditioning.

3. Analyze the cardiomyogenic effect of electrical, mechanical and electromechanical conditioning on adipose tissue-derived progenitor cells (ATDPCs) and cardiomyocyte progenitor cells (CMPCs).

4. Study the feasibility of a tissue engineered construct with trained cardiac adipose tissue-derived progenitor cells (cardiac ATDPCs).

5. Examine the regenerative capacity of electromechanically conditioned cardiac ATDPCs within a myocardial infarction murine model.

Summing up, the conclusions derived from this thesis project are:

1. A new device for ad-hoc electrical and mechanical stimulation, individually or synchronously, has been developed in collaboration with the Electronic and Biomedical Instrumentation Group from the Universitat Politècnica de Barcelona. This device has been patented (WO 2013185818 A1) including some results obtained in this thesis.

2. Protocols for electrical, mechanical and electromechanical conditioning on cardiac ATDPCs culture were designed and optimized with the aim to mimic the cardiac environment.

3. Electrical stimulation on cardiac ATDPCs and CMPCs enhances the expression of cardiac transcription factors (MEF2A and GATA-4) crucial for cardiac differentiation. In addition, electrical conditioning promotes cardiac ATDPCs elongation and cell alignment.

4. Mechanical stimulation on cardiac ATDPCs upregulates cardiac transcription factors (GATA-4 and Tbx5) and structural genes (α-actinin and cTnI) expression, strongly dependent on the patterned surface.

5. In vitro electro-mechanical stimulation pre-commits the cell population against the hostile cardiac milieu through increased expression of cardiac transcription factors (Tbx5 and GATA-4), structural genes (b-MyHC) and, most importantly, calcium handling genes (Cx43 and SERCA2).

6. Conditioned cardiac ATDPCs fibrin constructs scarcely migrate to the murine myocardium, de novo express cTnI in vivo, increase vessel density and promote the sprouting of functional blood vessels, and improve cardiac function with only 105 implanted cells.

El llinatge cel·lular òptim per a la regeneració cardíaca continua sent un gran desconegut. Els tractaments actuals són insuficients per a restablir la funció cardíaca, exceptuant el trasplantament de cor. Per això, noves estratègies, com l’enginyeria tissular cardíaca, estan emergent com a noves modalitats terapèutiques. D’altra banda, les cèl·lules cardíaques estan normalment subjectes a estímuls elèctrics i mecànics, que regulen la seva expressió gènica i la funció cel·lular.

Per tant, la hipòtesi d’aquest treball és que el pre-condicionament in vitro, mitjançant estímuls biofísics similars a l’entorn cardíac, podria madurar i induir cert grau de diferenciaicó cardíaca a les cèl·lules terapèutiques. Així es milloraria la seva retenció i integració al miocardi hoste, i beneficiaria el tractament de l’infart de miocardi.

Els objectius d’aquest treball són:

1. Disseny i producció d’un aparell apte per a portar a terme el condicionament elèctric i mecànica, individualment o de manera combinada, a un cultiu cel·lular en monocapa de cèl·lules progenitores derivades de teixit adipós cardíac (ATDPCs cardíaques).

2. Disseny d’un protocol per al condicionament elèctric, mecànic i electromecànic.

3. Caracterització de les cèl·lules obtingudes de cadascun dels condicionaments.

4. Estudi de la viabilitat d’un constructe d’enginyeria amb ATDPCs cardíaques condicionades.

5. Examinar l’efecte del condicionament electromecànic de les ATDPCs cardíaques implantades, mitjançant un constructe tridimensional, en el model murí d’infart de miocardi.

Les conclusions obtingudes són:

1. S’ha desenvolupat un aparell apte per a l’estimulació elèctrica i mecànica, individual o sincrònicament, en col·laboració amb el Grup d’Instrumentació Electrònica i Biomèdica de la Universitat Politècnica de Catalunya. Aquest aparell s’ha patentat (WO 2013185818 A1) amb alguns dels resultats derivats d’aquesta tesi.

2. S’ha dissenyat i optimitzat un protocol per al condicionament elèctric, mecànic i electromecànic de les ATDPCs cardíaques amb la intenció de mimetitzar l’ambient cardíac.

3. L’estimulació elèctrica de les ATDPCs cardíaques i les CMPCs millora l’expressió de factors de transcripció (MEF2A i GATA-4) crucials per a la diferenciació cardíaca. A més, el condicionament elèctric de les ATDPCs cardíaques promou la seva elongació i alineament acord al patró de la superfície.

4. L’estimulació mecànica de les ATDPCs cardíaques incrementa l’expressió genètica de factors de transcripció (GATA-4 i Tbx5) i gens estructurals (α-actinin i cTnI), i és fortament dependent del patró de la superfície.

5. L’estimulació electromecànica in vitro prepara les ATDPCs cardíaques per a l’hostil entorn cardíac augmentant l’expressió de factors de transcripció cardíacs (Tbx5 i GATA-4), gens estructurals (β-MyHC) i gens relacionats amb el maneig del calci (Cx43 i SERCA2).

6. El pegat de fibrina amb ATDPCs cardíaques electromecànicament entrenades promou una escassa migració al miocardi murí, una lleu expressió proteica de cTnI, l’increment de la densitat vascular a la vora de la cicatriu de l’infart, la formació de vasos sanguinis funcionals al miocardi i al constructe, i una millora de la funció cardíaca del 8% amb només 105 cèl·lules.