Novel platforms for vascularization in skin wound healing

Abstract

In cutaneous wounds, neovascularization is critical for tissue repair, influencing the healing cascade from the early onset to the remodeling phase. When vascularization is affected by alterationsin angiogenic signaling, the healing process is impaired and the quality of the neotissue formed is affected. Several strategies have been explored to promote neovascularization in cutaneous wounds; however, their clinical translation is still to be achieved. Therefore, this thesis aimed to explore innovative strategies to promote in vitro vascularization of tissue engineered (TE) constructs for wound healing. To this end, we took advantage of gellan gum-based spongy-like hydrogels to explore i) the modulation of a fibroblast-driven angiogenic microenvironment fostering endothelial cell (ECs) potential, and ii) the ability of the stromal vascular fraction (SVF) from adipose tissue to generate a self-regulatory angiogenic microenvironment in the absence of extrinsic growth factors. To minimize batch-to-batch variability associated to the processing of dried polymeric networks/spongy-like hydrogels, we designed two freezing devices and mapped the effect of the thermal parameters on the properties of the obtained structures. We were then able to fabricate highly reproducible materials with fine-tuned microarchitecture according to our specific needs. A bilayered structure was used as a template to explore the distinct functions of the dermal fibroblast’s subpopulations, providing evidence that pre-selection of papillary and reticular fibroblasts is relevant for promoting the in vitro prevascularization of skin TE constructs. We further explored the delivery of genes encoding angiogenic factors to fibroblasts, generating a microenvironment prone to vascularization while the spongy-like hydrogel offered structural support for new matrix deposition. Finally, we exploited specific integrins found in ECs present in SVF by designing integrin-specific spongy-like hydrogels to retain those cells, to ultimately triggering vasculogenesis. This in vitro vasculogenesis platform benefited neovascularization upon implantation by fostering inosculation with the host vasculature, but negatively impacted the healing of cutaneous wounds. Overall, the works herein reported provide valuable contributions in the field of vascularization of TE constructs, proposing complementary and alternative approaches to the use of ECs, taking a step towards the development of better therapies for cutaneous wounds.

Em feridas cutâneas, a neovascularização é crítica para a reparação do tecido, influenciando a cicatrização do início à fase de remodelação. Quando a vascularização é afetada por alterações na sinalização angiogénica, o processo de cicatrização é prejudicado, afetando a qualidade do neotecido formado. Várias estratégias têm sido exploradas para promover a neovascularização em feridas cutâneas; no entanto, vários fatores dificultam a sua translação para a clínica. Esta tese, teve como objetivo explorar estratégias inovadoras de vascularização in vitro de estruturas de engenharia de tecidos (ET) para cicatrização de feridas. Para tal, tirámos partido dos hidrogéis esponjosos à base de goma gelana para explorar i) a modulação do microambiente angiogénico mediado por fibroblastos para promover o potencial das células endoteliais (CEs), e ii) a capacidade da fração vascular estromal (FVE) do tecido adiposo em gerar um microambiente autorregulador angiogénico sem fatores de crescimento extrínsecos. Para minimizar a variabilidade associada ao processo de preparação de redes poliméricas secas/hidrogéis esponjosos, desenvolvemos dois dispositivos de congelamento e mapeamos o efeito dos parâmetros térmicos nas propriedades das estruturas obtidas. Isto permitiu fabricar materiais com características altamente reprodutíveis com microarquitetura ajustada de acordo com nossas necessidades específicas. Uma estrutura baseada em bicamada foi utilizada como modelo para explorar as funções típicas de cada subpopulação de fibroblastos da derme, demonstrando que a pré-seleção dos fibroblastos papilares e reticules promove a pré-vascularização in vitro de estruturas de ET de pele. Explorámos ainda a entrega de genes codificadores de fatores de crescimento angiogénicos aos fibroblastos para gerar um microambiente propenso à vascularização, enquanto o hidrogel esponjoso ofereceu suporte estrutural para a deposição de nova matriz. Finalmente, explorámos integrinas específicas encontradas nas CEs presentes na FVE e desenhámos hidrogéis esponjosos integrina específicos capazes de reter essas células e desencadear a vasculogénese in vitro. Esta plataforma de vasculogénese in vitro beneficiou a neovascularização in vivo após a implantação, promovendo a inosculação com a vasculatura hospedeira, mas teve um impacto negativo na cicatrização de feridas cutâneas. Em suma, os trabalhos relatados fornecem contribuições valiosas no campo da vascularização de estruturas de ET, propondo abordagens complementares e alternativas ao uso de CEs e contribuindo para o desenvolvimento de terapias para feridas cutâneas.