Taking advantage of 3D humanized in vitro models to study pulmonary diseases

Abstract

Pulmonary fibrosis, characterized by progressive and irreversible lung tissue stiffening resulting in organ failure, is a growing health problem and belongs to the major causes of death worldwide. The pathological mechanisms of lung fibrosis are not fully understood; current pathogenic theories assume an impaired wound healing response to chronic lung injuries, in which the mechanical and chemical stimuli from the lung environment induces fibroblast activation. Currently, therapeutic options are severely limited, and lung transplantation remains the only effective treatment for patients in end-stage fibrotic diseases. Complex tridimensional (3D) lung platforms able to accurately recapitulate function, structure, and cell and matrix interactions found in fibrotic lung tissue, are therefore necessary to provide the means for understanding the pathological mechanisms and mediators involved in the fibrotic process. Of the vast array of biomaterials that have been used for Tissue Engineering (TE) applications, a major enthusiasm has been developed towards hydrogels: 3D water-swollen polymeric networks, that provide mechanical support to cells and allow for the diffusion of nutrients, waste, and oxygen. Hydrogels are particularly interesting to study lung diseases as they recapitulate the mechanical and viscoelastic properties found in load-bearing soft tissues like the lung. Natural-based hydrogels are appealing platforms as they are inherently biocompatible and bioactive. Platelet-rich plasma (PRP) and human platelet lysates (PL) provide interesting materials to create hydrogels as they are a source for human-derived growth factors (GF). However, they present poor mechanical properties and are easily degraded. Synthetic-derived hydrogels do not face these limitations, but they lack differentiative cues required for tissue development. Human methacryloyl platelet lysates (PLMA)- based hydrogels have been proposed as a biochemical and biomechanicalsuperior platform for cell culture purposes. These autologous, GF-rich, platforms are herein proposed as reliable 3D platforms to model the fibrotic lung. PLMA hydrogels recapitulated the pathological stiffness of the fibrotic lung and supported the viability of lung fibroblasts cells for at least 7 days in culture. Cells adopted different morphologies as matrix stiffness changed and were able to induce matrix deformations in PLMA hydrogels, suggesting the feasibility of this scaffold to induce a profibrotic phenotype in fibroblasts in 3D, therefore recapitulating the pathological remodeling of lung fibrosis.

A fibrose pulmonar, que se caracteriza por cicatrização progressiva e irreversível do tecido pulmonar, culminando em falha pulmonar, é umas das principais causas de morte a nível mundial. Os mecanismos patológicos na génese da fibrose pulmonar não são claros; as teorias atuais sugerem a ocorrência de uma cicatrização anormal em resposta a lesões pulmonares crónicas, nas quais os estímulos mecânicos e químicos do ambiente pulmonar induzem a ativação dos fibroblastos. As opções de tratamento atuais são muito limitadas, sendo o transplante pulmonar a única opção viável para pacientes em estágio final de fibrose. Plataformas tridimensionais (3D) de pulmão capazes de simular a função e estrutura pulmonares e as interações célula-célula e célula-matriz são, por isso, necessárias para compreender os mecanismos patológicos e os mediadores envolvidos no processo fibrótico. Dos vários biomateriais usados em engenharia de tecidos (ET), os hidrogéis têm ganho destaque: são redes poliméricas 3D que absorvem água, capazes de fornecer suporte mecânico às células e de permitir a difusão de nutrientes, metabolitos e oxigénio. São particularmente interessantes para estudar doenças pulmonares, uma vez que conseguem simular as propriedades mecânicas e viscoelásticas de tecidos moles como o pulmão. Os hidrogéis naturais são plataformas atrativas por serem biocompatíveis e bioativas. Plasma Rico em Plaquetas (PRP) e Lisados de Plaquetas (LP) humanos têm sido usados para criar hidrogéis, por serem uma fonte humana de fatores de crescimento (FC). No entanto, têm fracas propriedades mecânicas e são facilmente degradáveis. Os hidrogéis sintéticos não têm estas limitações, mas faltam-lhes sinais indutores de diferenciação, cruciais para o desenvolvimento dos tecidos. Hidrogéis à base de LP metacrilatados (LPM) foram recentemente propostos como plataformas bioquimicamente e biomecanicamente superiores para cultura de células. Neste trabalho, propomos estes hidrogéis autólogos e ricos em FC como uma plataforma 3D capaz de mimetizar o pulmão fibrótico. Os hidrogéis de LPM recapitularam a rigidez do pulmão fibrótico, e permitiram manter fibroblastos pulmonares viáveis durante pelo menos 7 dias em cultura. As células adotaram diferentes morfologias consoante a rigidez da matriz e induziram marcadas deformações nos hidrogéis de LPM, sugerindo que estas plataformas induziram um fenótipo fibrótico nos fibroblastos e que, por isso, mimetizam a remodelação patológica da matriz extracelular que ocorre na fibrose pulmonar.