Towards the development of a mesenchymal stem/stromal cell product with enhanced therapeutic features for myocardial infarction

11/15/2018

Apesar das células estaminais/estromais do mesênquima (CEM) terem já demonstrado o seu potencial na regeneração do miocárdio em numerosos ensaios pré-clínicos e clínicos no contexto do enfarte agudo do miocárdio (EAM), a análise dos mesmos indica resultados moderados, o que demonstra a necessidade de melhorar a eficácia das CEM. O pré-condicionamento de CEM através da modulação do microambiente tem resultado numa melhoria da taxa de sobrevivência destas células, prolongado o seu efeito terapêutico. No contexto das terapias celulares, são necessárias elevadas doses de células para fins clínicos e o sucesso para obtenção de tais doses celulares depende de protocolos de expansão celular eficientes. Esta tese tem como objetivo o desenvolvimento de um produto celular de CEM com propriedades terapêuticas aumentadas para a regeneração do miocárdio, através da modulação do microambiente. Três tipos diferentes de fontes de CEM (medula óssea (MO), tecido adiposo (TA) e matriz do cordão umbilical (MCU)) foram cultivas em condições livres de componentes do soro e de origem animal e o seu potencial angiogénico foi analisado. Os resultados indicam que as CEM MCU bem como as do TA expressam e secretam maiores níveis de fatores pró-angiogénicos, comparado com células da MO, o que se traduziu num maior potencial angiogénico in vitro por parte das CEM MCU e TA. O précondicionamento de CEM MO com meio condicionado proveniente de CEM TA e MCU resultou num aumento do potencial angiogénico das CEM MO. Contrariamente, CEM MCU cultivadas com meio condicionado recolhido das CEM MO induziu um decréscimo no potencial angiogénico das CEM MCU. O pré-condicionamento físico de CEM MCU através do seu cultivo em microtransportadores em condições agitadas e baixa concentração de oxigénio (2%) originou um aumento da secreção de fatores pró-angiogénicos, o que se traduziu num potencial angiogénico superior ao de células cultivadas em estático e em concentrações de oxigénio atmosférico (21%). Além disso, os processos de criopreservação e entrega das células não alterou o perfil de expressão dos genes pró-angiogénicos. Para ser possível produzir tal produto, foi estabelecida uma plataforma de expansão de CEM COM e TA, com recurso a microtransportadores e em condições livre de componentes do soro e de origem animal. Os resultados obtidos contribuem para o desenvolvimento de um produto celular de CEM com propriedades terapêuticas aumentadas para a regeneração do miocárdio. Although mesenchymal stem/stromal cells (MSC) have successfully proved to promote myocardial regeneration in numerous experimental and clinical studies, recent analyses of MSC-based clinical trials in the context of acute myocardial infarction (AMI) demonstrated limited benefits, indicating a need to improve its efficacy. Preconditioning MSC through microenvironment modulation was found to improve MSC survival rate and thus prolong their therapeutic effect. In a cell therapy context, large cell doses are required for clinical purposes and the success in obtaining those cell numbers is dependent on efficient ex vivo expansion protocols. This thesis aims at developing an MSC-based product with enhanced therapeutic features for myocardial regeneration, by modulating the cell microenvironment. Three different MSC sources (bone marrow (BM), adipose tissue (AT), and umbilical cord matrix (UCM)) were cultured under xenogeneic-/serumfree (XF) culture conditions and their angiogenic potential was studied. Results indicated that UCM and AT MSC expressed and secreted higher levels of proangiogenic genes, compared with the BM source, which resulted in a higher in vitro angiogenic potential of the UCM and AT sources. Preconditioning BM MSC with conditioned medium (CM) harvested from UCM MSC cultures increased BM MSC angiogenic potential. In contrast, UCM MSC cultured with CM derived from BM MSC resulted in reduced cell angiogenic potential. Physically preconditioning UCM MSC through a microcarrier-based culture platform and low oxygen concentration (2% O2) promoted an increased secretion of several proangiogenic factors, resulting in a superior in vitro angiogenic potential of these cells. Additionally, both cryopreservation and delivery processes preserved the angiogenic gene expression profile of preconditioned UCM MSC. To develop such product, a XF microcarrier-based culture system was successfully established for the expansion of UCM and AT MSC. These results are expected to contribute towards the development of an MSC-based product with enhanced therapeutic features for myocardial regeneration.

Authors in the community:

• 

  D

  Diogo de Sousa Pinto

  ist172512

Supervisors of this institution:

• 

  C

  Cláudia Lobato da Silva

  ist31519

101600054

Doutoramento em Bioengenharia

industrial-biotechnology - Industrial Biotechnology

Keywords

• células estaminais/estromais do mesênquima (CEM)
• angiogénese
• enfarte agudo do miocárdio (EAM)
• pré-condicionamento celular
• expansão ex vivo
• mesenchymal stem/stromal cells (MSC)
• angiogenesis
• acute myocardial infarction (AMI)
• cell preconditioning
• ex vivo expansion

eng - English

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