Development of biomimetic 3D platforms for the culture and redifferentiation of pancreatic beta cells

Abstract

La diabetis és una malaltia que ha assolit proporcions epidèmiques. Aquest trastorn metabòlic es caracteritza per la hiperglucèmia crònica i està associat amb una elevada mortalitat cardiovascular i la reducció de l'esperança de vida. La diabetis mellitus tipus 1 (T1DM) està causada per la destrucció autoimmune de les cèl·lules beta pancreàtiques productores d'insulina. El reemplaçament de la massa de cèl·lules beta és un tractament prometedor per als pacients de T1DM, que té com a objectiu restaurar la normoglucèmia. El trasplantament d'illots pancreàtics ha demostrat el seu potencial com a teràpia de reemplaçament cel·lular, encara que la seva aplicació es troba limitada per diversos obstacles com l'escassetat d'illots pancreàtics. Per tant, es necessiten noves estratègies dirigides a generar una font abundant de cèl·lules productores d'insulina. Un enfocament prometedor és l'expansió de les cèl·lules beta adultes. No obstant, l'expansió in vitro de les cèl·lules beta implica la pèrdua del seu fenotip, probablement com a conseqüència de l'aïllament i la posterior dissociació dels illots en cèl·lules individuals. Aquests processos destrueixen el microambient cel·lular, alterant els contactes cèl·lula-cèl·lula i cèl·lula-matriu. L'enginyeria de teixits (ET) pot ajudar a superar aquests problemes creant teixits tridimensionals (3D), mitjançant l'ús combinat de cèl·lules i biomaterials que imitin la matriu extracel·lular (ECM) nativa. La hipòtesi de treball es va basar en el fet que la funcionalització de les matrius 3D amb motius de senyalització derivats de la ECM podria reconstituir el microambient dels illots, induint la rediferenciació de les cèl·lules expandides. La línia de cèl·lules beta de rata INS-1E, es va utilitzar com a prova de concepte per al model 3D funcionalitzat. El pèptid autoensamblable RAD16-I es va funcionalitzar amb els motius d'unió a integrina RGD, YIG, IKVAV, GEF i TWY. La caracterització de les matrius funcionalitzades va evidenciar que el pèptid RAD16-I mantenia la seva estructura característica de fulla beta en afegir els motius bioactius RGD, YIG i IKVAV. Per tant, les cèl·lules INS-1E es van encapsular amb els scaffolds biomimètics, els quals van promoure la supervivència cel·lular i la formació d'agregats cel·lulars, mimetitzant la conformació in vivo dels illots pancreàtics. A més, es va observar una major secreció d'insulina en les matrius funcionalitzades amb els pèptids YIG i IKVAV. Basant-nos en aquests resultats, es va intentar adaptar el model 3D per promoure la rediferenciació de les cèl·lules expandides dels illots humans. L'encapsulació de les cèl·lules desdiferenciades en la matriu de RAD16-I no va resultar ser un sistema adequat, per aquest motiu es van establir cultius en configuració sandvitx. Prèviament, es va induir la formació d'agregats cel·lulars (ICCs), propiciant així els contactes cèl·lula-cèl·lula. La conformació dels ICCs es va mantenir i va evolucionar en els cultius en sandvitx amb excel·lents valors de viabilitat. A més, els motius d'adhesió RGD i IKVAV van promoure la reexpressió dels marcadors de cèl·lula beta Ins, Pdx1, Nkx6.1 i MAFA. Aquests resultats indiquen que els cultius en configuració sandvitx, funcionalitzats amb RGD i IKVAV, són una plataforma 3D prometedora per induir la rediferenciació cap a un fenotip de cèl·lula beta, generant així cèl·lules que puguin ser utilitzades en la teràpia cel·lular de la diabetis.

La diabetes es una enfermedad que ha alcanzado proporciones epidémicas. Este trastorno metabólico se caracteriza por la hiperglucemia crónica y está asociado con una elevada mortalidad cardiovascular y la reducción de la esperanza de vida. La diabetes mellitus tipo 1 (T1DM) está causada por la destrucción autoinmune de las células beta pancreáticas productoras de insulina. El reemplazo de la masa de células beta es un tratamiento prometedor para los pacientes de T1DM, que tiene como objetivo restaurar la normoglucemia. El trasplante de islotes pancreáticos ha demostrado su potencial como terapia de reemplazo celular, aunque su aplicación se encuentra limitada por diversos obstáculos como la escasez de islotes pancreáticos. Por lo tanto, se necesitan nuevas estrategias dirigidas a generar una fuente abundante de células productoras de insulina. Un enfoque prometedor es la expansión de las células beta adultas. Sin embargo, la expansión in vitro de las células beta implica la pérdida de su fenotipo, probablemente como consecuencia del aislamiento y la posterior disociación de los islotes en células individuales. Dichos procesos destruyen el microambiente celular, alterando los contactos célula-célula y célula-matriz. La ingeniería de tejidos (TE) puede ayudar a superar estos problemas creando tejidos tridimensionales (3D), mediante el uso combinado de células y biomateriales que imitan la matriz extracelular (ECM) nativa. La hipótesis de trabajo se basó en que la funcionalización de las matrices 3D con motivos de señalización derivados de la ECM podría reconstituir el microambiente de los islotes, induciendo la rediferenciación de las células expandidas. La línea de células beta de rata INS-1E, se utilizó como prueba de concepto para el modelo 3D funcionalizado. El péptido autoensamblable RAD16-I se funcionalizó con los motivos de unión a integrina RGD, YIG, IKVAV, GEF y TWY. La caracterización de las matrices funcionalizadas evidenció que el péptido RAD16-I mantenía su estructura característica de hoja beta al añadir los motivos bioactivos RGD, YIG e IKVAV. Por lo tanto, las células INS-1E se encapsularon con los scaffolds biomiméticos, los cuales promovieron la supervivencia celular y la formación de agregados celulares, mimetizando la conformación in vivo de los islotes pancreáticos. Además, se observó una mayor secreción de insulina en las matrices funcionalizadas con los péptidos YIG e IKVAV. Basándonos en estos resultados, se intentó adaptar el modelo 3D para promover la rediferenciación de las células expandidas de los islotes humanos. La encapsulación de las células desdiferenciadas en la matriz de RAD16-I no resultó ser un sistema adecuado, por ese motivo se establecieron cultivos en configuración sándwich. Previamente, se indujo la formación de agregados celulares (ICCs), propiciando así los contactos célula-célula. La conformación de los ICCs se mantuvo y evolucionó en los cultivos en sándwich con excelentes valores de viabilidad. Además, los motivos de adhesión RGD e IKVAV promovieron la reexpresión de los marcadores de célula beta Ins, Pdx1, Nkx6.1 y MafA. Estos resultados indican que los cultivos en configuración sándwich funcionalizados con RGD e IKVAV, son una plataforma 3D prometedora para inducir la rediferenciación hacia un fenotipo de célula beta, generando así células que puedan ser utilizadas en la terapia celular de la diabetes.

La diabetes es una enfermedad que ha alcanzado proporciones epidémicas. Este trastorno metabólico se caracteriza por la hiperglucemia crónica y está asociado con una elevada mortalidad cardiovascular y la reducción de la esperanza de vida. La diabetes mellitus tipo 1 (T1DM) está causada por la destrucción autoinmune de las células beta pancreáticas productoras de insulina. El reemplazo de la masa de células beta es un tratamiento prometedor para los pacientes de T1DM, que tiene como objetivo restaurar la normoglucemia. El trasplante de islotes pancreáticos ha demostrado su potencial como terapia de reemplazo celular, aunque su aplicación se encuentra limitada por diversos obstáculos como la escasez de islotes pancreáticos. Por lo tanto, se necesitan nuevas estrategias dirigidas a generar una fuente abundante de células productoras de insulina. Un enfoque prometedor es la expansión de las células beta adultas. Sin embargo, la expansión in vitro de las células beta implica la pérdida de su fenotipo, probablemente como consecuencia del aislamiento y la posterior disociación de los islotes en células individuales. Dichos procesos destruyen el microambiente celular, alterando los contactos célula-célula y célula-matriz. La ingeniería de tejidos (TE) puede ayudar a superar estos problemas creando tejidos tridimensionales (3D), mediante el uso combinado de células y biomateriales que imitan la matriz extracelular (ECM) nativa. La hipótesis de trabajo se basó en que la funcionalización de las matrices 3D con motivos de señalización derivados de la ECM podría reconstituir el microambiente de los islotes, induciendo la rediferenciación de las células expandidas. La línea de células beta de rata INS-1E, se utilizó como prueba de concepto para el modelo 3D funcionalizado. El péptido autoensamblable RAD16-I se funcionalizó con los motivos de unión a integrina RGD, YIG, IKVAV, GEF y TWY. La caracterización de las matrices funcionalizadas evidenció que el péptido RAD16-I mantenía su estructura característica de hoja beta al añadir los motivos bioactivos RGD, YIG e IKVAV. Por lo tanto, las células INS-1E se encapsularon con los scaffolds biomiméticos, los cuales promovieron la supervivencia celular y la formación de agregados celulares, mimetizando la conformación in vivo de los islotes pancreáticos. Además, se observó una mayor secreción de insulina en las matrices funcionalizadas con los péptidos YIG e IKVAV. Basándonos en estos resultados, se intentó adaptar el modelo 3D para promover la rediferenciación de las células expandidas de los islotes humanos. La encapsulación de las células desdiferenciadas en la matriz de RAD16-I no resultó ser un sistema adecuado, por ese motivo se establecieron cultivos en configuración sándwich. Previamente, se indujo la formación de agregados celulares (ICCs), propiciando así los contactos célula-célula. La conformación de los ICCs se mantuvo y evolucionó en los cultivos en sándwich con excelentes valores de viabilidad. Además, los motivos de adhesión RGD e IKVAV promovieron la reexpresión de los marcadores de célula beta Ins, Pdx1, Nkx6.1 y MafA. Estos resultados indican que los cultivos en configuración sándwich funcionalizados con RGD e IKVAV, son una plataforma 3D prometedora para inducir la rediferenciación hacia un fenotipo de célula beta, generando así células que puedan ser utilizadas en la terapia celular de la diabetes.