Cell-enriched engineered cardiac grafts improve heart function and promote cardiac regeneration: a novel therapy for myocardial infarction

Abstract

El infarto de miocardio es una de las enfermedades cardiovasculares de mayor incidencia y mortalidad entre la población mundial. A pesar de los diferentes tratamientos empleados, a día de hoy ninguno de ellos consigue revertir las secuelas postinfarto ni una completa recuperación de la función cardíaca. En este sentido, la ingeniería tisular cardíaca se presenta como una alternativa válida a las terapias actuales, combinando el uso de matrices de soporte con células terapéuticas. Sin embargo, la elección tanto de la matriz como del linaje celular óptimos aún no han sido completamente dilucidados. Así, nuestra hipótesis de trabajo plantea que el uso de matrices derivadas de miocardio y pericardio descelularizados, repoblados con células progenitoras derivadas de tejido adiposo cardíaco (ATDPCs cardíacas), como terapia para el infarto de miocardio, promueve la regeneración cardíaca y mejora la función cardíaca. Para abordar dicha hipótesis, se establecieron los siguientes objetivos: 1. Caracterizar las propiedades inmunomoduladoras de las ATDPCs cardíacas; 2. Generar matrices descelularizadas a partir de tejido miocárdico y pericárdico; 3. Recelularizar las matrices descelularizadas con ATDPCs cardíacas, generando constructos de bioingeniería miocárdicos (o EMG-ATDPC) y pericárdicos (o EPG-ATDPC) respectivamente; y analizar el comportamiento celular de las ATDPCs cardíacas sembradas en dichas matrices; y 4. Evaluar los efectos ejercidos por el EMG-ATDPC y el EPG-ATDPC en el modelo porcino de infarto de miocardio. A partir de los resultados obtenidos en la presente tesis, se obtuvieron las siguientes conclusiones: 1. Las ATDPCs cardíacas no inducen activación de linfocitos T y, además, reducen su actividad proliferativa cuando dichos linfocitos han sido previamente estimulados. Además, las ATDPCs cardíacas también limitan la secreción de citoquinas proinflamatorias por parte de los linfocitos T, indicando una baja inmunogenicidad por parte de las ATDPCs cardíacas. 2. La caracterización de las matrices de miocardio y pericardio descelularizados demuestra la total ausencia de núcleos y residuos celulares, confirma la preservación de las propiedades mecánicas y estructurales de la matriz, e identifica las principales proteínas matriciales típicas de tejido cardíaco, recreando el microambiente cardíaco fisiológico. 3. Las matrices cardíacas descelularizadas permiten su recolonización mediante ATDPCs cardíacas, reteniéndolas viables en su interior y manteniendo su potencial vasculogénico. La densidad y migración celular, así como la preservación del potencial cardiomiogénico por parte de las ATDPCs cardíacas, son dependientes del tipo de matriz cardíaca empleada. 4. La implantación de los constructos EMG-ATDPC y EPG-ATDPC promueve una mejora en la función cardíaca, disminuye el tamaño de infarto, limita la fibrosis ventricular, e induce tanto neovascularización como neoinervación en la zona de infarto y en la propia matriz. En conclusión, los constructos EMG-ATDPC y EPG-ATDPC son herramientas útiles para el tratamiento del infarto de miocardio, demostrando su potencial cardioregenerativo en modelo porcino, mostrándose viable su traslación hacia uso clínico.

Myocardial infarction is one of the cardiovascular diseases with highest incidence and mortality worldwide. Despite the different treatments employed nowadays, none of them succeeded in reversing post-infarction sequelae or completely recovering cardiac function thus far. In this regard, cardiac tissue engineering is presented as a valid alternative to current therapies, combining the use of supportive matrices or scaffolds with therapeutic cells. However, the choice of both the scaffold and the cell lineage has not been fully elucidated yet. Thus, our working hypothesis proposes that the use of scaffolds derived from decellularized myocardium and pericardium, subsequently repopulated with cardiac adipose tissue-derived progenitor cells (cardiac ATDPCs), as a therapy for myocardial infarction, promotes cardiac regeneration and improves cardiac function. To carry out this hypothesis, we set out the following objectives: 1. Characterization of the immunomodulatory properties of the cardiac ATDPCs; 2. Generation of decellularized scaffolds from myocardial and pericardial tissue; 3. Recellularization of the acellular cardiac scaffolds with cardiac ATDPCs, generating myocardial (or EMG-ATDPC) and pericardial (or EPG-ATDPC) bioengineered constructs, respectively; and analysis of the cellular behavior of these cardiac ATDPCs seeded over the scaffolds; and 4. Evaluation of the effects exerted by the implantation of both EMG-ATDPC and EPG-ATDPC in a porcine model of acute myocardial infarction. According to the outcomes derived from the present study, the following conclusions were stated: 1. Cardiac ATDPCs do not induce activation of T-lymphocytes and, in addition, reduce their proliferative activity when these T-lymphocytes have been previously stimulated. Moreover, the cardiac ATDPCs also limit the secretion of proinflammatory cytokines released by the T-lymphocytes, indicating a low immunogenicity of our target cardiac ATDPCs. 2. The complete characterization of the myocardial and pericardial decellularized scaffolds shows a total absence of nuclei and cell debris, confirms the preservation of mechanical and structural properties of the matrix, and identifies the major matrix proteins typical of heart tissue, all together perfectly recreating the physiological cardiac microenvironment. 3. The decellularized cardiac scaffolds support recolonization with cardiac ATDPCs, retaining them alive and maintaining their vasculogenic potential. Cell density and migration, as well as preservation of cardiomyogenic potential by cardiac ATDPCs, are dependent on the type of cardiac scaffold used. And 4. The engraftment of EMG-ATDPC and EPG-ATDPC constructs promotes an enhancement in ventricular function, decreases infarct size, limits ventricular fibrosis progression, and induces neovascularization and neoinnervation, both in the infarct zone and the scaffold itself. In conclusion, the EMG-ATDPC and EPG-ATDPC constructs are useful tools for the treatment of myocardial infarction, demonstrating their cardioregenerative potential in porcine model, and being viable for their translation into clinical use.