Platelet lysates-based hydrogels as 3D cell culture platforms for cardiac regeneration

Abstract

Cardiovascular diseases are the leading cause of death in the world with myocardial infarction leading to heart failure and death of the victims. Since the current treatments do not restore the function of the cardiac tissue, tissue engineering aims to create cardiac patches to promote a better cardiac regeneration. In this study, two approaches of acellular and cellular strategies were chosen to produce cardiac patches for cardiac regeneration. On the acellular approach, platelet lysates modified with methacrylic groups (PLMA) were used to fabricate rehydrated scaffolds formed by freeze drying and were evaluated for cardiac patch application and to observe the impact of the freeze drying process on the hydrogel properties. The mechanical properties of the hydrogels increase with the freeze drying, not only in terms of Young’s modulus, ultimate stress and ultimate strain, but also in durability. Although the top surface porosity wasn’t different for all the PLMA concentrations used, PLMA scaffolds showed a high swelling ration, that decreases due to the liberation of protein from the scaffold matrix, a conductivity preliminary value on the same order of magnate of the human heart and capacity for being transported in a catheter. To evaluate this scaffold as a 3D culture platform, a successfully HUVECs assay was performed with the best performing PLMA concentration of 15%, showing, together with the physical properties results, promising results towards the use of this rehydrated hydrogels as cardiac patches for myocardial infarction regeneration. For the cellular approach, the idea was to build a system that could produce PLMA hydrogels incorporated with cardiomyocyte’s spheroids in a square feature and using size-controlled wells. To optimize this system, MG-63 cells were used since they can easily form spheroids. For a more physical characterization, PLMA hydrogels were also evaluated for important properties for biomedical application and for the cardiac tissue more specific. Mechanical properties of the hydrogels showed the increases in the elasticity modulus when increasing the PLMA concentration present in the hydrogels and water content tests demonstrated that all used PLMA concentration hydrogels had a high content of water. Using MG-63 cells, after 7 days the system had formed a few spheroids although the system did not work properly. The obtained results showed that PLMA hydrogels have good characteristics for biomedical and cardiac application and that the optimizing of this system might be able to form cardiomyocyte’s spheroids. In conclusion, the current results suggest these approaches can act as cardiac patches due to their hydrogel characteristics and cellular compatibility for this end, besides more interesting results can be obtained to support this outcome.

As doenças cardiovasculares são a principal causa de morte no mundo com o enfarte do miocárdio conduzindo à insuficiência cardíaca e morte das vítimas. Uma vez que os tratamentos atuais não restauram a função do tecido cardíaco, a engenharia de tecidos visa criar pensos cardíacos para promover uma melhor regeneração cardíaca. Neste estudo, abordagens acelulares e celulares foram escolhidas para produzir adesivos cardíacos. Na abordagem acelular, lisados de plaquetas modificados com grupos metacrílicos (PLMA) foram usados para fabricar hidrogéis reidratados formados por liofilização que foram avaliados para aplicação como pensos cardíacos e para observar o impacto do processo de liofilização nas propriedades do hidrogel. As propriedades mecânicas dos hidrogéis aumentaram com a liofilização, não apenas em termos de módulo de Young, tensão e deformação finais, mas também em durabilidade. Embora a porosidade da superfície superior não seja diferente para todas as concentrações de PLMA usadas, as esponjas de PLMA mostraram uma alta razão de absorção, que diminui ao longo do tempo devido à libertação de proteína da matriz, um valor condutividade na mesma ordem de grandeza do coração humano e capacidade para serem transportadas em cateteres. Para avaliar estas matrizes como uma plataforma de cultura 3D, células endoteliais de veia umbilical humana (HUVECs) foram cultivadas em hidrogéis de PLMA com a concentração de proteína que melhor desempenho obteve (15% de concentração de PLMA), mostrando, juntamente com os resultados de propriedades físicas, resultados promissores para o uso desses hidrogéis reidratados como adesivos cardíacos para regeneração cardíaca pós-enfarte do miocárdio. Para a abordagem celular, a ideia seria criar um sistema capaz de produzir hidrogéis de PLMA incorporados com os esferoides de cardiomiócitos numa disposição quadrada e usando poços de tamanho controlado. Para otimizar este sistema, células MG-63 foram usadas devido à facilidade de formarem esferoides. Para uma caracterização mais física, os hidrogéis de PLMA foram avaliados quanto às propriedades para aplicação biomédica e para o tecido cardíaco mais especificamente. As propriedades mecânicas dos hidrogéis mostraram um aumento no módulo de elasticidade com o aumento da concentração de PLMA presente nos hidrogéis e os testes de conteúdo de água demonstraram que todos os hidrogéis usados apresentavam um alto teor de água. Usando a células MG-63, depois de 7 dias o sistema apresentava a formação de alguns esferoides, embora o sistema não tenha funcionado de forma correta. Os resultados obtidos demonstram que os hidrogéis da PLMA têm boas características para aplicação biomédica e cardíaca e que a otimização deste sistema pode ser capaz de formar esferóides de cardiomiócitos. Em conclusão, os resultados atuais sugerem que ambas as abordagens podem atuar como pensos cardíacos devido às características do hidrogéis e compatibilidade celular para este fim, apesar de ser ainda possível obter resultados interessantes para suportar esta afirmação.