Optimisation of a Tissue Engineering Product based on Mesenchymal Stromal Cells aiming to regenerate bony tissue

Abstract

Bone is a highly organised and specialised connective tissue that provides a rigid, protective and supporting framework to the body. In addition to this, bone is unique in its capacity to self-regenerate without the formation of a fibrotic scar. Despite its natural healing potential, bone is not always able to repair large defects, which can result in permanent bone loss and fracture non-unions. Consequently, interventions such as bone grafting are required to replace damaged or diseased bone, accounting for more than two million grafted bones in the world annually. Currently, autografts are still qualified as the gold standard technique, but this option is not exempt of complications such as infections and donor site morbidity. Advanced therapies (AT), particularly regenerative medicine (RM) and tissue engineering (TE) approaches, provide valuable tools with broad applicability in the orthopaedic field with the aim of achieving bone regeneration. This PhD project was developed within the RM field aiming to optimise the formulation of tissue engineering products (TEPs) composed of mesenchymal stromal cells (MSCs) for bone regeneration. To date, MSC-based therapies have been demonstrated safe and some initial signs of efficacy have already been found in several clinical indications; that is why current major challenges rely on improving the efficacy of such therapies by modifying formulations paying special attention to the tissue source of MSCs as well as to the non-cellular components of the final TEPs. The proposal reported in this PhD project is based on the use of MSCs derived either from bone marrow (BM) or the Wharton’s jelly (WJ) of the umbilical cord (UC) as the osteogenic component of the TEP, decellularised bony particles providing osteoinductive and osteoconductive cues and a hydrogel made of fibrin which confers the ability of adapting to the architecture of each particular defect. The investigation has been performed in vitro and in vivo in an ectopic mice model (addressed in CHAPTER IV) and subsequently in two orthotopic ovine models (addressed in CHAPTER III and CHAPTER V) demonstrating an excellent safety profile and signs of efficacy. The new BM-derived MSCs-based clinical grade formulation developed in this work resulted feasible, effective and efficiently adapted to the architecture of simulated cylindrical bone defects. On the other hand, this work is a milestone in the non-clinical development of WJ-MSCs-derived TEPs prior to use in patients. Nonetheless, further investigations in order to trigger the osteogenic commitment of WJ-derived MSCs for specific bone regeneration indications are required. In addition, the outcomes relating to the injectable bone formulation make it an attractive alternative to be considered in future TE approaches regarding three dimensional (3D) bioprinting, as a potential MSC-based bioink.

El hueso es un tipo de tejido conjuntivo altamente especializado y organizado que proporciona una estructura de soporte rígida y protectora. Además, el hueso es único en su capacidad de autoregeneración sin la formación de una cicatriz fibrótica. A pesar de su potencial regenerador natural, el hueso no es siempre capaz de reparar grandes defectos por sí solo, lo que puede resultar en pérdidas óseas permanentes o en la aparición de pseudoartrosis. Por consiguiente, se requieren intervenciones quirúrgicas para la aplicación de injertos con la finalidad de reemplazar hueso dañado o enfermo. Esto se traduce en la implantación de más de dos millones de injertos óseos anuales en el mundo. Actualmente, los autoinjertos siguen siendo la técnica quirúrgica estándar, pero no están exentos de complicaciones, tales como infecciones o morbilidad asociada a la zona de extracción donante. Las terapias avanzadas (AT), particularmente las aproximaciones dentro de la medicina regenerativa (RM) y la ingeniería de tejidos (TE), ofrecen herramientas valiosas con amplia aplicabilidad en el mundo de la ortopedia con el objetivo de lograr regenerar hueso. Esta tesis doctoral se ha desarrollado dentro del campo de la RM con el objetivo de optimizar la formulación de productos de ingeniería de tejidos (TEPs) compuestos por células mesenquimales estromales (MSCs) con la finalidad de regenerar hueso. Hasta la fecha, se ha acumulado amplia experiencia, tanto preclínica como clínica, demostrando la seguridad e indicios de eficacia de las terapias basadas en el uso de MSCs para diversas indicaciones. Por este motivo, los principales retos en la actualidad se centran en mejorar la eficacia de dichos productos modificando sus formulaciones y prestándole especial atención tanto al tejido de aislamiento de las MSCs como a los componentes no celulares de los TEPs.

La propuesta presentada en esta tesis doctoral está basada en MSCs derivadas de médula ósea (BM) o de gelatina de Wharton (WJ) del cordón umbilical (UC) como componente osteogénico, partículas de hueso descelularizadas que aportan las propiedades osteoinductoras y osteoconductoras y un hidrogel de fibrina que confiere la habilidad de adaptarse a la arquitectura de cada defecto en particular. La investigación se ha realizado tanto in vitro como in vivo en un modelo ectópico en ratón (abordado en el CHAPTER IV) y subsecuentemente, en dos modelos ortotópicos en oveja (abordado en el CHAPTER III y en el CHAPTER V) demostrando seguridad y signos de eficacia. La nueva formulación de grado clínico basada en MSCs derivadas de BM resultó ser factible, eficaz y eficiente adaptándose a la arquitectura de los defectos cilíndricos simulados. Por otro lado, este trabajo es un hito en el desarrollo no clínico de los TEPs basados en MSCs derivadas de WJ antes de su aplicación en pacientes. No obstante, se requieren más estudios con el objetivo de desencadenar la rápida diferenciación hacia linaje osteogénico de las MSCs derivadas de WJ en indicaciones específicas de regeneración ósea. Además, los resultados relacionados con la formulación de hueso inyectable la convierten en una alternativa atractiva para ser considerada en futuras aproximaciones de TE relacionadas con la bioimpresión en tres dimensiones (3D), como una potencial biotinta basada en MSC.