Preparación y entrega de cantidades clínicamente relevantes de células madre utilizando hidrogeles 3D

Un obstáculo crítico para trasladar la promesa de la medicina regenerativa a la clínica es la capacidad de recolectar, expandir y administrar de manera eficiente una cantidad suficiente de células madre viables. Si bien se pueden recolectar de adultos cantidades relativamente grandes de células madre de adipocitos humanos multipotentes (hASC) específicas del paciente, estas células deben volver a entregarse al paciente (ya sea con o sin pasos de cultivo intermedios) en cantidad suficiente para la regeneración funcional. Proponemos el desarrollo de un biomaterial clínicamente traducible que se utilice tanto para mejorar la eficiencia de la expansión de las células madre como para mejorar la eficacia de la administración de células madre. Los protocolos actuales de expansión de células madre in vitro requieren mucho tiempo, espacio, energía y costos y, a menudo, dan como resultado la pérdida espontánea de la autorrenovación, además de una población heterogénea de células diferenciadas. Además, el método menos invasivo de administración de células madre al paciente, la inyección directa de células, normalmente da como resultado menos del 5% de viabilidad celular. Nuestros objetivos específicos demuestran la flexibilidad de un solo biomaterial para abordar estos cuellos de botella en tres paradigmas clínicos diferentes: 1) reinyección directa de hASC inmediatamente después del aislamiento celular del paciente, 2) expansión y diferenciación ex vivo de hASC antes del trasplante, y 3) reprogramación in vitro de hASC en células madre pluripotentes inducidas (iPSC). Debido a la urgencia de obtener resultados traslacionales y al diseño experimental complementario y que no se superponga, se perseguirán en paralelo los siguientes objetivos:

Objetivo 1. Utilizar un biomaterial autoensamblable novedoso a base de proteínas para lograr una viabilidad superior al 95% de las hASC trasplantadas mediante inyección directa. Los protocolos de inyección se optimizarán in vitro y se validarán in vivo utilizando un modelo de ratón subcutáneo con imágenes de bioluminiscencia no invasivas. Nuestra hipótesis es que la administración de células dentro de un biomaterial mejorará significativamente la viabilidad al proporcionar protección del flujo durante la inyección, localización en el sitio objetivo y soporte para promover la adhesión celular.

Objetivo 2. Mejorar la eficiencia de la expansión y diferenciación de hASC utilizando una imitación de nicho tridimensional (3D) para la regeneración del tejido óseo. La entrega de biomateriales de proteína morfogenética ósea 2 (BMP2) y nanopartículas de hidroxiapatita (HA) se optimizará ex vivo para mejorar la diferenciación osteogénica y se validará in vivo utilizando un modelo de defecto crítico craneal de ratón. Presumimos que la personalización del biomaterial para una mecánica óptima, la entrega de BMP2 y el contenido de HA mejorará la formación de tejido óseo en 3D.

Objetivo 3. Optimizar materiales y métodos para la reprogramación de hASC en iPSC utilizando un entorno de cultivo in vitro 3D y ADN en minicírculo no viral. Recientemente, las hASC han demostrado una mayor eficiencia de reprogramación de iPSC en comparación con otros tipos de células. Presumimos que nuestros cultivos 3D reducirán en gran medida los requisitos de reactivos, espacio y costos y mejorarán la eficiencia de la preparación de iPSC en comparación con los métodos tradicionales de cultivo 2D.