Functionalized hydrogels and cell based therapies: A tissue engineering approach for spinal cord injury regeneration

Abstract

As Lesões da Medula Espinal (LME) continuam a ser das doenças mais devastadoras do Sistema Nervoso Central (SNC), devido aos graves danos funcionais causados, bem como o fardo que representam para os pacientes. A falta de uma terapia eficaz para tratar esta condição ou pelo menos atenuar a sua extensão levou a comunidade científica a procurar novas estratégias possíveis para abordar esta doença. Desta forma, hoje em dia terapias moleculares e celulares têm sido aplicadas em modelos animais de LME com resultados promissores. Contudo, terapias singulares, normalmente falham quando aplicadas na clínica, portanto a combinação de mais do que uma técnica poderá ser a solução. Assim sendo, neste trabalho conjugamos um hidrogel (Gellan Gum-GRGDS) com células mesenquimais do tecido adiposo (ASCs) e células gliais do bolbo olfativo (OECs), com o intuito de promover a recuperação de ratos com LME. Em primeiro lugar, as interações in vitro entre os dois tipos de células foram avaliadas através de co-culturas de contacto direto e através do secretoma de cada tipo celular. Depois, foi determinado o crescimento de ASCs e OECs quando encapsuladas no hidrogel GGGRGDS. Também foi verificado o potencial regenerativo do secretoma de ambas as células em estudo, com recurso a um modelo in vitro de regeneração axonal, baseado em Gânglios da Raiz Dorsal (DRGs). Finalmente, o valor terapêutico da nossa abordagem foi determinado usando um modelo in vivo de LME. Os ratos foram sujeitos a uma hemissecção do lado esquerdo da medula espinal (T10-T11) e divididos em diferentes grupos de acordo com o respetivo tratamento: animais não tratados (grupo HS); animais tratados com células (Cells); com GG-GRGDS (GG); e com células encapsuladas em GG-GRGDS (GG+cells). Foi também incluído um grupo de animais sem lesão, apenas sujeito a uma laminectomia (Sham). Os resultados demonstraram que as ASCs e OECs foram capazes de crescer em co-culturas de contacto direto sem alterações significativas da sua morfologia e do seu número total; ambas as células apresentaram uma taxa de crescimento normal quando encapsuladas em GG-GRGDS, o que demonstra a capacidade deste último como veículo de transporte celular. Relativamente aos explantes de DRGs, os fatores secretados pelas ASCs e OECs parecem potenciar a regeneração axonal. Finalmente, os animais tratados com a conjugação de hidrogel com ASCs+OECs apresentaram melhorias significativas das suas capacidades motoras e ao mesmo tempo menor astrogliose. Em suma, estes resultados indicam que ao conjugar GG-GRGDS com ASCs e OECs, poderá ser possível desenvolver terapias alternativas direcionadas para a recuperação de LME.

Spinal Cord Injury (SCI) remains one of the most devastating diseases of the Central Nervous System (CNS) due to the drastic functional impairments caused, as well as the burden it represents for patients. The lack of an effective therapy to treat this condition or at least minimize the injury extent, led the scientific community to search for new possible strategies to address this question. Consequently, nowadays molecular and cell based therapies are often applied on SCI animal models with promising results. However single therapies usually fail when translated to the clinics, so the combination of more than one technique appears to be the best solution. Having this in mind, in the present work, we aimed at conjugating a hydrogel based scaffold (gellan gum-GRGDS) with Adipose tissue derived Mesenchymal Stem Cells (ASCs) and Olfactory Ensheathing Cells (OECs) in order to promote the recovery of SCI rats. Firstly, the in vitro interactions between both cell types were assessed through direct co-cultures and using the secretome of each cell. Then, the growth of ASCs and OECs while encapsulated within the GGGRGDS hydrogel was evaluated. We also verified the regenerative potential of both cells’ secretome, using an in vitro model of axonal regeneration based on Dorsal Root Ganglia explants (DRGs). Finally, the therapeutic value of our proposed strategy was determined in an in vivo model of SCI. Rats were subjected to an hemisection injury on the left side of the spinal cord (T10-T11) and divided in different groups according to the respective treatment: no treated animals (HS group); cells treated (Cells); GG-GRGDS-treated (GG); and GG-GRGDS with cellstreated animals (GG+cells). An additional group of animals without injury, only subjected to a laminectomy was also included (Sham). The results showed that ASCs and OECs were able grow together on direct co-cultures without significant alterations in cell morphology and cell numbers; both cells also exhibited a standard growth profile while inside the GG-GRGDS hydrogel, which proves the suitability of this hydrogel as a vehicle for cell transplantation. Regarding DRGs explants, ASCs and OECs secreted paracrine factors seemed to potentiate axonal regeneration. Finally, the animals treated with the conjugation of GG-GRGDS hydrogel with ASCs+OECs presented significant improved motor skills, while simultaneously disclosing an evident decrease in astrogliosis. All together, these results indicate that by using GG-GRGDS conjugated with ASCs and OECs, it may be possible to develop alternative therapeutic routes for SCI repair/regeneration