Novel electrospun scaffolds for neural stem cell differentiation under electrical stimulation

08/01/2021

O desenvolvimento de terapêuticas de sucesso para o tratamento de doenças neurodegenerativas, consideradas como de evolução progressiva e incuráveis, requer o uso de estratégias de medicina regenerativa. No entanto, para tal ser bem sucedido é preciso também aliar esta à nanomedicina, ciência de materiais e terapia celular. A utilização de plataformas in vitro para a cultura de células, nomeadamente através de scaffolds, é uma estratégia promissora para melhorar a segurança e eficácia de tais terapias. O seu uso baseia-se na capacidade destes, através de estímulos variados e em tudo semelhantes aos encontrados na matriz extracelular original, conseguem influenciar a proliferação, metabolismo, migração e diferenciação das células sob si cultivadas. Em particular, destacam-se os scaffolds poliméricos obtidos por electrofiação, com elevada porosidade e área específica, propriedades mecânicas ajustáveis e a capacidade de serem modificados quimicamente/por adsorção de motivos de adesão. A estimulação eléctrica é um estímulo físico capaz de aumentar a eficiência da diferenciação celular, nomeadamente a neuronal. Isto é especialmente vantajoso para a melhoria da segurança e eficácia de terapias celulares envolvendo a transplantação de neurónios derivados de células estaminais (p.e. iPSCs). A plataforma mais interessante para este efeito deverá, portanto, ser obtida por electrofiação e ter a capacidade de conduzir electricidade. A escolha dos polímeros conductores a utilizar no seu design dependerá de vários factores, nomeadamente: (1) processabilidade, (2) propriedades físico-químicas (hirofilicidade, electroconductividade, propriedades mecânicas), e ainda (3) perfil de biocompatibilidade. No nosso grupo desenvolvemos novos substractos electroconductores e capazes de suportar o crescimento/diferenciação celular, na sua totalidade obtidos por electrofiação. Alguns exemplos incluem fibras de poli(benzimidazole) (PBI), poli(acrilonitrilo) (PAN) reticulado, e um compósito de poli(anilina)-poli(caprolactona) capaz de ser electrofiado em fibras monoaxiais ou coaxias, utilizado o poli(glicerol sebacato) como camada interior. Ao mesmo tempo utilizá-mos diversas estratégias para melhorar a electroconductividade destes materiais através da dopagem química (PBI), ciclização (PAN), ajuste das proporções entre polímero conductor e inerte (PCL-PANI) e ainda pseudo-dopagem (PCL-PANI). As propriedades físico-químicas dos substratos obtidos foram avaliadas por microscopia electrónica de varrimento (SEM), análise de infra-vermelhos com transformada de Fourier (FTIR), calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e análise termogravimétrica (TGA). Em seguida, avaliá-mos as propriedades mecânicas e electroconductores desses materiais. No final, foi avaliada a biocompatibilidade de cada um dos materiais obtidos, na ausência ou presença de estimulação eléctrica, e a consequente alteração no perfil de marcadores de diferenciação (mRNA e proteínas). Os scaffolds obtidos demonstraram possuir propriedades eléctricas adequadas para a estimulação eléctrica de células neuronais. Foram também observadas alterações no diâmetro das fibras obtidas, propriedades mecânicas e respectivos perfis de FTIR/DSC/TGA comparativamente com os materiais de partida. Para além das alterações efectuadas não comprometerem a biocompatibilidade dos materiais, foi possível crescer e diferenciar células estaminais neuronais nos mesmos. Em suma, desenvolvemos diversos scaffolds electroconductores, obtidos por electrofiação, capazes de serem aplicados em estratégias de engenharia de tecidos e medicina regenerativa do cérebro. Tais plataformas podem ser ainda adaptadas a outras células sensíveis à presença de corrente eléctrica, como é o caso dos miócitos (cardiomiócitos, músculo esquelético e músculo liso). Nanomedicine, material science and cell therapy strategies should be combined to support tissue engineering strategies on the development of successful regenerative medicine therapies for the treatment of progressive and yet incurable neurodegenerative diseases. In vitro cell culture platforms hold the promise to increase the safety and effectiveness of cell therapies. The use of scaffolds on those systems is based on the principle that in vivo cell proliferation, metabolism, migration and differentiation follow cues given by the extracellular matrix. Polymeric fibrous scaffolds obtained artificially by electrospinning present have large surface areas and porosity, adjustable mechanic properties and can be functionalized with adhesion motifs. Electrical stimulation can also promote effective cell differentiation of neural and other cells, improving the safety of cell therapies while boosting their efficacy. Conductive polymers can been used for direct cell stimulation. An interesting platform for tissue engineering applications should, therefore, be composed of electrospun fibers made of conductive polymers. The choice for the best conductive polymer will depend on various factors. Some of these include (1) ease of processing (electrospinnability), (2) physico-chemical properties (hydrophilicity, electroconductivity, mechanical properties) and (3) biocompatibility. Our group has developed new electroconductive substrates suitable for cell culture, mainly through electrospinning. Some examples include polybenzimidazole (PBI), cross-linked polyacrylonitrile (PAN) and blended polycaprolactone-polyaniline (PCL-PANI) monoaxial fibers, as well as PCL-PANI coaxial fibers with a poly(glycerol sebacate) (PGS) core. Chemical doping with strong acids, cyclization and conductive to carrier polymers proportion were used to increase conductivity for, respectively, PBI, PAN and PCL-PANI fibers. The physico-chemical properties for substrates were monitored using scanning electron microscopy (SEM), fourier transform infrared analysis (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA), followed by electrical and mechanical characterization. The biomaterials biocompatibility, with and without electrical stimulation, as well as specific changes in gene and protein expression were evaluated. The novel scaffolds developed show electroconductivity suitable for electrical stimulation of cells. These are accompanied by different changes in fibers diameter, mechanical properties and their respective FTIR/DSC/TGA profiles. The different treatments/strategies used do not compromise the materials biocompatibility. Neural stem cells (NSCs) were able to successfully proliferate and/or differentiate on all substrates tested. Overall, we highlight the use of electrospun electroconductive fibers as scaffolds to support neural tissue engineering for regenerative medicine and disease modelling. This also opens the possibility to tailor more reliable biomaterials for other electro-responsive cells such as muscle and cardiac cells.

Autores da comunidade :

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  Fábio Filipe Ferreira Garrudo

  ist421100

Orientadores desta instituição:

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  Frederico Castelo Alves Ferreira

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  Jorge Manuel Ferreira Morgado

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Dotoramento em Bioengenharia

industrial-biotechnology - Biotecnologia Industrial

Palavras-chave

• Engenharia de tecido neuronal
• electrofiação
• electroconductividade
• estimulação eléctrica
• iPSCs
• Neural tissue engineering
• electrospinning
• electroconductivity
• electrical stimulation
• iPSCs.

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