Mesenchymal stromal cell-based strategies to enhance tissue vascularization: exploring magnetic field stimulation and design of fluidic models for vascular studies

Ana Carina Baeta Manjua

Key information

Authors:

Ana Carina Baeta Manjua (Ana Carina Baeta Manjua)

Supervisors:

Carla Alexandra Moreira Portugal; Frederico Castelo Alves Ferreira (Frederico Castelo Alves Ferreira)

Published in

12/21/2020

Abstract

As doenças cardiovasculares são das principais causas de morbidade mundiais. Apesar da elevada incidência, o desenvolvimento da engenharia de tecidos cardíacos permanece muito inexplorado, exigindo a fabricação de tecidos artificiais pré-vascularizados. Para contribuir com novas estratégias, este projeto visa explorar angiogénese por aplicação de estímulos magnéticos não invasivos de curta duração. Uma investigação pioneira sobre hidrogéis magnéticos inteligentes revelou potencial para regular a sorpção de proteínas mediante variação cíclica da intensidade do campo magnético, induzindo alterações mecânicas no hidrogel. Uma plataforma para angiogénese foi então investigada usando campos magnéticos estáticos externos para estimular células estromais mesenquimais (MSCs). Curiosamente, embora a cultura de MSCs em hidrogéis magnéticos (PVA e Gelatina) melhore o efeito magnético na organização e indução angiogénica de MSCs, também foi demonstrada a magneto-sensibilidade das MSCs pela capacidade de migrarem e alinharem de acordo com a direção do campo magnético, mesmo sem hidrogéis magnéticos a mediarem a mechanotransdução. É importante ressaltar que se observou que a estimulação magnética, na presença ou ausência dos hidrogéis, proporciona o aumento da secreção do factor de crescimento angiogénico VEGF-A. A possibilidade de manipular magneticamente processos angiogénicos de MSCs foi revelado pela capacidade de conduzir células endoteliais (HUVECs) à formação de estruturas vasculares, in vitro e ex vivo. A modulação do comportamento angiogénico das células foi ainda estudada para diferentes intensidades de campo magnético sob estimulação magnética estática ou pulsada por frequência, destacando a potencial de aumentar a eficiência angiogénica das células para reparação cardíaca ou para inibição da vascularização na progressão tumoral. Por fim, o projeto dedicou-se ao desenvolvimento de modelos in vitro de vasos sanguíneos para explorar o conceito de estimulação magnética usando co-culturas (MSCs e HUVECs) para induzir a formação de tecido vascular. O projeto finaliza combinando elementos-chave para demonstrar os benefícios da estimulação magnética na reversão da ischemia induzida, a fim de identificar novas opções terapêuticas para estas condições. Cardiovascular diseases have emerged as the leading causes of morbidity worldwide. Despite its high incidence, the development of cardiac tissue engineering remains vastly unexplored demanding the fabrication of vascularized artificial tissue substitutes. Hoping to contribute with novel strategies, this project aims to enhance angiogenesis through the application of non-invasive short-term magnetic stimulation. Firstly, a pioneering investigation on smart responsive magnetic hydrogels revealed the potential to regulate protein sorption upon cyclic variation of the magnetic field intensity by inducing mechanical changes on the hydrogel. A platform for angiogenesis was then investigated using external static magnetic fields to stimulate mesenchymal stromal cells (MSCs). Interestingly, while culturing MSCs on magnetic scaffolds (PVA and gelatin) enhances the magnetic effect on MSCs organization and angiogenic induction, it was also demonstrated that MSCs are magnetic sensitive with ability to migrate and align according with the magnetic field direction even without the mechanotransduction mediation of the magnetic scaffold. Importantly, magnetic stimulation, with or without scaffold, increases the secretion of key angiogenic growth factors (e.g. VEGF-A). The potential to magnetically manipulate angiogenic MSCs processes was revealed by the ability to drive human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) towards angiogenesis both in vitro and ex vivo. The capacity to modulate the angiogenic behavior of the cells was further studied for different magnetic field intensity under static or frequency-pulsed magnetic stimulation, highlighting the possibility to either boost the angiogenic efficiency for cardiac repair or to inhibit vascularization to prevent tumor progression in cancer patients. Lastly, the project focused on the fabrication of blood vessel in vitro models to explore the concept of magnetic stimulation using co-cultures (MSCs and HUVECs) for improvement of HUVECs sprouting. The project finalizes by combining key elements to identify the benefits of magnetic stimulation on reverting induced vascular ischemia, aiming to develop novel therapeutic options for these conditions.