Development of a biomimetic mechanical stimulation system to improve the maturation of human iPS-derived myocardial grafts

Abstract

La ingeniería tisular cardíaca ha evolucionado rápidamente en los últimos años, desde los primeros ensayos con diferentes especies animales hasta la producción de la primera generación de tejidos cardíacos humanos que sucede en la actualidad.

En concreto, la las células humanas de pluripotencialidad inducida (iPSC) suponen una solución potencialmente idónea para el tratamiento de las enfermedades cardiovasculares actuales, y particularmente para terapias regenerativas de infarto de miocardio, ya que proveen de una fuente autóloga de cardiomiocitos (CM) del propio paciente, que evita el rechazo inmunogénico en su totalidad. La producción de este tipo de CM derivados de iPSC está caracterizada por generar colonias electromecánicamente y fenotípicamente inmaduras, lo cual, representa un obstáculo crítico para su estudio in vitro o para su utilización in vivo.

Por tanto, el propósito de este estudio es el de fabricar injertos miocárdicos humanos a partir de células iPS (constructos andamio + células), y aumentar su madurez mediante el uso de un sistema biomimético de estiramiento tridimensional mecánico (Biomimetic Stretching Device, BSD), diseñado e implementado para tal fin. En el estudio, se comparan los constructos estimulados con dicho dispositivo novel con los controles, y se demuestra cómo el uso este sistema incrementa la maduración fenotípica de los CM. Asimismo, también se realizó un experimento in vivo con 50 ratones hembra inmunosuprimidos para evaluar la posible contribución a la regeneración del miocardio en un modelo de infarto crónico por ligación de la arteria coronaria descendente. Los resultados demuestran la contribución positiva de los constructos a la recuperación de los individuos pese a que no se encontró evidencia de que la pre-estimulación mecánica contribuyera en mayor grado.

Para ello, queratinocitos de pluripotencialidad inducida (KiPS) fueron derivados a CM, y mezclados con colágeno tipo I, Matrigel® y otros factores para fabricar unos constructos cuya consistencia permitiera que fuesen estimulados mecánicamente por el sistema BSD, que estimula tridimensionalmente los tejidos creados mediante el bombeo controlado de aire a una membrana semi-esférica, lo cual supone un tipo de estimulación novedosa y biomimética, similar a la que un corazón ofrece en el organismo. La maduración de los CM en los constructos fue estudiada mediante técnicas de inmunofluorescencia confocal, microscopía electrónica de transmisión (TEM) y expresión génica (qPCR). Dichos constructos fueron implantados mediante cirugía sobre la zona infartada del ventrículo izquierdo de los corazones de los ratones. Al cabo de 4 semanas los corazones fueron recolectados y estudiados para su posterior análisis.

En términos generales, el presente estudio contribuye al estudio de la generación de tejidos cardíacos humanos in vitro, el análisis de los procesos de maduración implicados por estimulación mecánica y a la comprensión de la capacidad de estos constructos como terapia potencial para reparar un infarto de corazón.

Cardiac tissue engineering has transitioned from cardiac tissues derived from various animal species to the production of the first generation of human engineered cardiac tissues. Particularly, induced pluripotent stem cells (iPSC) provide a potential solution to current diseases of heart failure by providing a suitable source of autologous human cardiomyocytes (CMs) to support heart regeneration. Stem cell-derived CMs are often electro- and mechano-physiologically immature, which represents a critical barrier to their in-vitro and in-vivo application. Therefore, the purpose of this study was to fabricate human iPSC-derived CM grafts and study whether mechanical stimulation could enhance the maturation of the engineered constructs, and evaluate their in-vivo regeneration potential after myocardial infarction (MI) in a mouse model. With that purpose, keratinocyte iPS cells were derived to CM, mixed with collagen and other matrix factors to fabricate the constructs, and mechanically stimulated in a novel pumping system designed to apply a biomimetic mechanical pumping to the scaffolds. Maturation was studied by immunofluorescence, electron microscopy, and quantitative real-time polymerase chain reaction. In-vivo, the constructs were implanted onto the peri-infarct region of hearts after coronary artery ligation, and functionally and histologically analyzed 4 weeks post-implantation. Animals treated with our scaffolds experimented an enhanced recovery cardiac functions in comparison with non-treated controls.