Bioestructura de matriz extracelular aumentada con células madre humanas para la reparación cardiovascular

Las enfermedades cardíacas son una de las principales causas de muerte y discapacidad en los EE. UU., representan 1 de cada 4 muertes y cuestan más de 100 mil millones de dólares al año. Si bien se han logrado mejoras significativas en el tratamiento y control de las enfermedades cardíacas, todavía no podemos devolver el corazón a un estado saludable de manera efectiva y curar a los pacientes. Con nuestro proyecto nos hemos propuesto desarrollar una estrategia novedosa no sólo para detener la progresión de la enfermedad sino también para revertir el efecto devastador sobre la función del corazón. Al combinar células estromales mesenquimales de la médula ósea con un material de soporte biológico, esperamos crear un parche para el corazón que sostenga y regenere el tejido enfermo hasta el punto en que el paciente se alivie de la carga de su enfermedad y tenga una mejora notable. calidad de vida. El año pasado hemos logrado avances significativos hacia el establecimiento de un modelo de enfermedad animal en el que podamos estudiar nuevas formas de tratar las enfermedades cardíacas. Al mismo tiempo, hemos aislado y caracterizado células que residen en la médula ósea y que tienen el potencial de curar el tejido enfermo mejorando el flujo sanguíneo, minimizando las cicatrices y, en general, promoviendo la recuperación de la función cardíaca. Hemos estudiado estas células cuando se cultivan en diferentes condiciones y descubrimos que su capacidad para mediar en la regeneración de tejidos depende en gran medida de sus entornos locales. Actualmente estamos tratando de identificar la combinación óptima de células y microambiente que pueda lograr el máximo efecto regenerativo en nuestro modelo de enfermedad y, en última instancia, ayudar a nuestros pacientes a combatir su enfermedad cardíaca.

Las enfermedades cardiovasculares siguen siendo la principal causa de muerte y discapacidad en los Estados Unidos. Incluso con una intervención óptima, los pacientes que sufren un evento coronario inicial son propensos a desarrollar una cardiopatía isquémica (CI). Las terapias actuales para la CI, como la medicación, la intervención coronaria percutánea, los anticoagulantes y la derivación de la arteria coronaria, son incapaces de rescatar el tejido necrótico y recuperar la función cardíaca normal. La única terapia curativa actual es el trasplante de corazón; sin embargo, el suministro de órganos de donantes es muy limitado y la gran mayoría de los pacientes mueren de insuficiencia cardíaca congestiva mientras se encuentran en la lista de espera para trasplantes. Las terapias celulares se están explorando como una posible cura para la CI. En la mayoría de estos ensayos, las células se inyectan en suspensión en la vasculatura o directamente en el miocardio isquémico. Los resultados clínicos han demostrado claramente la seguridad de estas terapias celulares. Sin embargo, las mejoras clínicas han sido, en el mejor de los casos, modestas, aparentemente debido a la escasa supervivencia y retención a largo plazo de las células del donante. Las células madre mesenquimales (MSC) son una fuente atractiva de células madre alogénicas para terapias regenerativas cardíacas. Se considera que las MSC son inmunoprivilegiadas porque modulan y evaden el microambiente inmunológico del huésped, lo que las convierte en candidatas ideales para el trasplante alogénico. Las MSC también facilitan la regeneración al secretar factores angiogénicos y quimiotácticos que facilitan la formación de nuevos vasos sanguíneos y el reclutamiento de células madre y progenitoras del huésped. La matriz extracelular de la submucosa del intestino delgado porcino (SIS-ECM) es un bioandamio producido a partir del intestino delgado de los cerdos. Se ha descubierto que ejerce una variedad de funciones proregenerativas beneficiosas, modulando la respuesta quimiotáctica e inmune y liberando grandes cantidades de factores proangiogénicos. SIS-ECM es ideal en aplicaciones quirúrgicas como reemplazo de materiales sintéticos, ya que facilita la regeneración específica del sitio y se reabsorbe en el tejido nativo sin necesidad de una eliminación posterior. El objetivo general de este proyecto es generar un dispositivo SIS-ECM sembrado con MSC para el tratamiento de la CI. La hipótesis es que la combinación de MSC y SIS-ECM producirá un dispositivo con propiedades regenerativas que superan a cualquiera de los componentes por sí solo. Con este proyecto desarrollaremos un modelo de infarto de miocardio (IM) porcino que imita las características de la enfermedad humana. Luego probaremos el dispositivo propuesto en este modelo y monitorearemos la mejora funcional en comparación con los animales de control y los animales que reciben células o SIS-ECM solo. También verificaremos in vitro que las MSC humanas y porcinas sean fenotípica y funcionalmente equivalentes para confirmar que los resultados obtenidos en nuestro modelo porcino son relevantes para el entorno humano con una alta probabilidad. Finalmente, exploraremos los mecanismos de acción in vitro en ensayos relevantes e in vivo en modelos de infarto de miocardio en ratas. Principales logros en este período que abarca el informe: 1. Establecimos con éxito un modelo de IM crónico (IMC) porcino reproducible y un modelo de infarto agudo de miocardio (IAM). Probamos dos vías de administración, parche epicárdico e inyección intramiocárdica. También optimizamos la orientación y la densidad de siembra del dispositivo, así como la implantación de telemetría en un modelo de esternotomía porcina sin lesiones. Concluimos que el modelo CMI es muy adecuado para los próximos estudios en los que trasplantaremos nuestro dispositivo como un parche epicárdico con el lado sembrado de MSC mirando hacia el epicardio y sembrado por debajo de la capacidad máxima para ser el enfoque preferido. 2. Descubrimos que las MSC de muestras de médula ósea humana y porcina se pueden aislar, ampliar y almacenar fácilmente utilizando una metodología idéntica. Creamos bancos de células maestras a partir de tres donantes para cada especie. Además, generamos bancos de células funcionales de eGFP y luciferasa que sobreexpresan MSC para ambas especies. Además, confirmamos, nuevamente utilizando una metodología idéntica, que tanto las MSC humanas como las porcinas son análogas con respecto al potencial de trilinaje, la expresión de marcadores de superficie celular y el cariotipo. Además, estas principales características de MSC no se modifican en respuesta a la siembra en SIS-ECM. Finalmente, estamos completando estudios similares para MSC 3 de rata. Hemos confirmado que las MSC humanas y porcinas son análogas en el patrón de expresión de factores angiogénicos. También encontramos que el efecto migratorio de los sobrenadantes de cultivos de MSC humanas o porcinas sembradas en plástico o SIS-ECM es comparable. Además, encontramos que los niveles de secreción de citocinas inflamatorias y la formación de tubos in vitro a partir del sobrenadante del cultivo eran comparables a las MSC humanas sembradas en plástico o SIS-ECM. Además, establecimos un modelo de IAM tanto en ratas inmunocompetentes como en ratas inmunodeficientes. Utilizando estos modelos, hemos demostrado importantes efectos modificadores de la enfermedad del análogo de DC de rata en comparación con SIS-ECM o MSC solas. Finalmente encontramos una retención celular mejorada en el sitio del implante para nuestras DC humanas en el modelo AMI de rata SCID inmunodeficiente.

Las enfermedades cardiovasculares siguen siendo la principal causa de muerte y discapacidad en los Estados Unidos. En promedio, un estadounidense sufre un evento coronario cada 34 segundos y un estadounidense muere a causa de dicho evento cada 1 minuto y 23 segundos. Una vez ocurrido el infarto, e incluso con una intervención óptima, los pacientes son propensos a desarrollar cardiopatía isquémica (CI). Las terapias actuales para la CI son incapaces de rescatar el tejido necrótico y recuperar la función cardíaca normal. La única terapia curativa actual es el trasplante de corazón; sin embargo, el suministro de órganos de donantes es muy limitado y la gran mayoría de los pacientes mueren de insuficiencia cardíaca congestiva mientras se encuentran en la lista de espera para trasplantes. Las terapias celulares se están explorando como una nueva cura potencial para la CI. Actualmente se están investigando numerosas terapias celulares para la reparación del miocardio; sin embargo, las tasas de éxito siguen siendo modestas. Normalmente, las células se inyectan en suspensión en la vasculatura sistémica o coronaria o directamente en el miocardio isquémico. Los resultados han demostrado claramente la seguridad de estas terapias celulares, pero las mejoras clínicas han sido modestas. Las principales limitaciones que se han identificado incluyen métodos de administración de células inconsistentes y mala supervivencia y retención de células del donante a largo plazo. Por lo tanto, se necesitan de manera crítica métodos confiables para la administración de células terapéuticas con el fin de mejorar las terapias regenerativas cardíacas basadas en células. Los bioandamios tienen el potencial de mejorar la retención celular y la localización en el sitio de la lesión. La matriz extracelular de la submucosa del intestino delgado porcino (SIS-ECM) es uno de esos bioandamios que puede servir como andamio de unión para las MSC. Se ha descubierto que el propio SIS-ECM ejerce una variedad de funciones proregenerativas beneficiosas, entre ellas la modulación de la respuesta quimiotáctica e inmune del huésped y la liberación de grandes cantidades de factores proangiogénicos. Fundamentalmente, SIS-ECM ya está aprobado por la FDA para la reparación de tejido cardíaco después de una cirugía a corazón abierto. Las MSC son un candidato ideal para el trasplante de células madre debido a su capacidad para modular el entorno tisular local, inducir la angiogénesis local y reclutar poblaciones efectoras receptoras. También exhiben numerosas funciones proregenerativas, incluida la inmunomodulación mediante la secreción de una variedad de factores inmunomoduladores y, por lo tanto, son un candidato ideal para el trasplante alogénico. Además, las MSC desempeñan un papel en la angiogénesis mediante la secreción de factores angiogénicos, así como factores quimiotácticos que facilitan el reclutamiento de células madre y progenitoras del huésped. El objetivo general de este proyecto ha sido generar un dispositivo SIS-ECM sembrado con MSC para el tratamiento de la CI. La hipótesis es que la combinación de MSC y SIS-ECM dará como resultado un dispositivo con propiedades regenerativas que superan a cualquiera de los componentes por sí solo. En el transcurso del proyecto, hemos desarrollado un modelo porcino que imita las características de la CI humana mediante la inyección de un agente embolizante en la arteria coronaria. Probamos el dispositivo propuesto en este modelo y monitoreamos la mejora funcional en comparación con los animales de control y los animales que recibieron células o ECM sola. También hemos verificado que las MSC humanas y porcinas son fenotípica y funcionalmente equivalentes y, finalmente, hemos explorado los posibles mecanismos subyacentes a tal beneficio terapéutico tanto en el laboratorio como en un modelo de infarto de miocardio en ratas. Con este informe final, consideramos que este proyecto se ha ejecutado con éxito y ha aportado nuevos conocimientos importantes, no sólo sobre la utilidad de las MSC y SIS-ECM en el tratamiento de la cardiopatía isquémica, sino también en múltiples áreas de la investigación básica de células madre. biología, modelado animal e investigación traslacional; todo lo cual apunta mucho más allá del alcance inmediato de este proyecto. Hemos completado todo el trabajo con animales planificado y optimizado todos los ensayos necesarios para el análisis final del tejido y los datos recolectados. A partir de los datos ecocardiográficos, esperamos obtener información sustancial sobre el efecto de las diferentes opciones de tratamiento sobre la función del corazón enfermo. También hemos establecido nuevas colaboraciones con colegas que, al compartir tejido y datos, nos permitirán analizar los corazones con mucho mayor detalle de lo previsto inicialmente, mejorando así sustancialmente nuestra comprensión de la regeneración de tejidos. Sin embargo, los datos que finalmente se derivarán de esta enorme cantidad de trabajo no se encuentran en una etapa de finalización en la que podamos ofrecer conclusiones finales sobre los principales objetivos específicos del estudio. Sin embargo, lo que se puede decir con absoluta certeza en este momento es que este proyecto ha aportado nuevos conocimientos significativos en el área de la medicina regenerativa, la investigación en animales grandes y traslacional y más allá, que no se podría haber logrado sin el apoyo de CIRM. Igualmente importante es que este trabajo ha sentado las bases para numerosos estudios futuros, tanto de nuestro equipo como de nuestros colegas en general, que seguramente beneficiarán a los pacientes con enfermedades cardíacas en California y más allá.