Tissue engineering strategies to advance the treatment of skeletal muscle injuries

Abstract

Até à data, não existem tratamentos eficazes para lesões musculares. Atualmente, os tratamentos existents para lesões musculares são limitados a cuidados paliativos ou cirurgias. Portanto, há uma necessidade premente de encontrar um tratamento eficaz para as lesões musculares esqueléticas. O primeiro objectivo desta tese foi investigar o potencial de células estaminais derivadas do tecido adiposo humano (hASCs) para a regeneração do músculo. Deste modo, lesões musculares em murganhos foram tratadas com hidrogéis esponjosos (SLH) à base de goma gelana (GG) e biofuncionalizados com RGD contendo hASCs. Esta estratégia demonstrarou ser uma abordagem confiável, dado que restabeleceu a rede vascular e os filamentos neurais, assim como promoveu a miogénese. O segundo objectivo baseou se na investigação do potencial de análogos do músculo esquelético para terapias de substituição ou para modelo de músculo esquelético para estudar a fisiologia do músculo esquelético ou para triagem de medicamentos. Portanto, hidrogéis à base de goma gelana foram biofuncionalizados com oligopeptídeos inspirados em laminina (isto é, CIKVAVS (V), KNRLTIELEVRTC (T), RKRLQVQLSIRTC (Q) e cRGD) e preparados com diferentes conteúdos polimérico. Miócitos foram adicionados no topo ou dentro dos hidrogéis e o seu comportamento ao longo do tempo. A adesão celular foi favorecida em hidrogéis com rigidez semelhante à do tecido muscular nativo (ou seja, 5-20 kPa). Além disso, os miócitos foram capazes de aderir, crescer, diferenciar e alinhar sobre hidrogéis à base de Q micropadronizados. No entanto, apesar de os miócitos aderirem, proliferarem e alinharem após bio impressão dentro das diferentes formulações de hidrogel, a diferenciação só foi alcançada quando impressos em hidrogéis baseados em cRGD. De modo a preparar análogos de músculo inervados, células neuronais foram bio-impressas lado a lado com células do músculo esquelético. Estes análogos demonstraram superior funcionalidade, como foi detectado pela descarga de cálcio e contratilidade. Por fim, o potencial dos miócitos encapsulados em hidrogéis à base de Q foi explorado para tratamento lesões musculares localizadas, por meio de injeção direta in-situ. Após a injeção, este tratamento promoveu uma miogénese, restabelecendo uma rede vascular profunda e filamentos neurais.

Ongoing treatment procedures for skeletal muscle injuries are limited to palliative care therapy or surgery in severe cases. The main drawback of these approaches is the absence of functional recovery portrayed with a prolonged recovery scheme that may last months. Hence, there is an urgent need to find an effective treatment for skeletal muscle injuries. In this thesis, we aimed to explore the potential of human adipose-derived stem cells (hASCs) for the regeneration of volumetric muscle loss (VML). To this aim, we used gellan gum (GG)-based spongy-like hydrogels (SLH) biofunctionalized with RGD. hASCs-laden spongy-like hydrogels demonstrated a reliable approach by re-establishing a vascular network, neural filaments and promoting myogenesis. Moreover, we explored the potential of the skeletal muscle-analogue model for drug screening applications, pathophysiological studies, or to be used for in-vivo replacement therapies. Hence, we developed gellan gum-based hydrogels biofunctionalized with laminin-inspired oligopeptides (i.e. CIKVAVS (V), KNRLTIELEVRTC (T), RKRLQVQLSIRTC (Q), and cRGD) with different polymeric contents. Thus, we analyzed the behavior of C2C12 within and on top of these hydrogels. Cell adhesion was favored in hydrogels with compressive modulus close to the native muscular tissue stiffness (i.e. 5-20 kPa). Moreover, C2C12 cells were able to differentiate and align when seeded on top of Q-based micropatterned hydrogels. When encapsulated within the different hydrogel formulations, C2C12 cells were able to adhere, grow and align post-printing. Nevertheless, differentiation was only achieved when cells were bioprinted within cRGD-based hydrogels. Furthermore, innervated constructs were prepared by printing neuronal cells side-by-side to skeletal muscle cells, showing enhanced functionality as detected by calcium discharge and contractility. In the final work, we explored the potential of C2C12 laden in Q-biofunctionalized GG-based hydrogels to treat localized muscle injuries through direct in-situ injection. Post injection, C2C12-laden hydrogels promoted robust myogenesis, re-established a profound vascular network and neural filaments.