Mesenchymal stem cell secretome loaded StarPEG-gag hydrogels as a new route to induce spinal cord injury regeneration

Abstract

As lesões medulares têm sido descritas como "uma doença não tratável" desde os tempos do antigo Egipto. Esta é uma condição que afeta milhões de pessoas em todo o mundo, comprometendo tanto as funções motoras como sensoriais do corpo humano, impactando negativamente a qualidade de vida dos pacientes a nível físico, psicológico e económico. Várias terapias foram testadas em ensaios clínicos demonstrando capacidade de melhoria das funções motoras e sensoriais, no entanto não foram eficazes a chegar à clínica por promoverem diversas reações adversas. Nesta tese, o nosso objetivo foi desenvolver um sistema de libertação controlada baseado num hidrogel para libertar o secretoma de células estaminais derivadas do tecido adiposo (ASC) promovendo processos regenerativos, como crescimento axonal, redução da inflamação, aumento da sobrevivência celular e remodelação vascular, levando à recuperação motora. No entanto, embora a via sistémica (por exemplo, i.v. (intravenosa)) possa causar efeitos colaterais em diferentes órgãos, a administração local tem baixa eficiência devido à rápida difusão por fluidos corporais. O sistema de libertação baseia-se num hidrogel formado por poli(etilenoglicol) (starPEG) e o glicosaminoglicano (GAG) heparina (Hep) com cargas aniónicas que promovem uma elevada afinidade para fatores de crescimento, citocinas, e quimiocinas devido a interações eletrostáticas. Demonstramos que o hidrogel é adequado para libertação continua de factores pró-regenerativos, tais como interleucina (IL)-4, IL-6, fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF), fator neurotrófico de células glial (GDNF), e fator de crescimento beta-nervoso (β-NGF) durante dez dias. A rápida libertação após dois dias, está relacionada com a libertação de fatores neuroinflamatórios e angiogénicos, enquanto a libertação contínua e prolongada até dez dias é maioritariamente impulsionada por fatores de crescimento neuroreguladores. O secretoma libertado promoveu a diferenciação de células progenitoras neurais humanas (hNPCs) e o crescimento de neurites em fatias organotípicas da medula espinal. Finalmente, no modelo de transceção T8 em rato, a libertação de secretoma levou a melhorias motoras significativas comparado com animais lesionados ou tratados com secretoma localmente. As melhorias motoras são promovidas essencialmente pela redução da percentagem de microglia ameboide e níveis sistémicos elevados de citocinas anti-inflamatórias, tais como a IL-10. A libertação de secretoma de ASC do hidrogel starPEG-Hep pode oferecer opções sem precedentes para a terapia regenerativa de lesões medulares.

SCI has been described as "an ailment not to be treated" since ancient Egyptian times. Every year, millions of people worldwide are affected by this condition, which affects both motor and sensory functions of the human body with a negative impact on the quality of life of patients who are afflicted not only physically but also psychologically and economically. Several therapies have reached clinical trials and shown to be effective in promoting motor and sensorial improvements in patients. However, severe side effects or problems with route of administration have left those therapies on the way to clinic. We aimed to develop a release system based on a biohybrid hydrogel to deliver the secretome of adipose tissue derived stem cells (ASCs) locally and in a time-dependent manner, which has been shown to promote several regenerative mechanisms, including inducing axonal growth, reducing inflammation, promoting cell survival, and vascular remodeling, ultimately leading to functional recovery. However, while systemic delivery (e.g., i.v. (intravenous)) may cause off-target effects in different organs, the local administration has low efficiency due to fast clearance by body fluids. We started by developing the release system, which is based on a hydrogel formed of star-shaped poly (ethylene glycol) (starPEG) and the glycosaminoglycan (GAG) heparin (Hep) with anionic charges resulting in high affinity for a broad range of growth factors, cytokines, and chemokines due to electrostatic interactions. Due to this particularity, we have shown that the hydrogel is suitable to continuously release pro-regenerative signaling mediators such as interleukin (IL)-4, IL-6, brain-derived neurotrophic factor (BDNF), glial-cell neurotrophic factor (GDNF), and beta-nerve growth factor (β-NGF) over ten days. A burst release was observed after two days, mainly related to the release of neuroinflammatory and angiogenic factors, while the continuous and prolonged release until ten days is driven mainly by neuroregulatory growth factors. The released secretome was shown to significantly induce differentiation of human neural progenitor cells (hNPCs) and neurite outgrowth in organotypic spinal cord slices. Finally, in the in vivo complete transection SCI rat model, the secretome-loaded hydrogel significantly improved motor function in comparison to lesioned or secretome locally treated animals. Motor improvements were mainly supported by reducing the percentage of ameboid microglia and systemically elevated levels of anti-inflammatory cytokines, such as IL-10. Delivery of ASC-derived secretome from starPEG-Hep hydrogels may therefore offer unprecedented options for regenerative therapy of SCI.