Exploring cells and their abiotic products as materials for immunomodulation and biomedical applications

Abstract

Advances in the design of cell-derived therapies may be leveraged by our understanding of how to maximize the therapeutic value of cells. Mesenchymal stromal cells (MSCs) have well-reported anti-inflammatory and regenerative properties. While the infusion of MSCs showed safety in several human trials, inconsistent efficacy was reported for the treatment of inflammatory diseases. This has been partially justified by the incomplete understanding of the therapeutic mechanisms of MSCs, their fast clearance, and the possible acquisition of unpredictable phenotypes after delivery. In this thesis, easy-to-handle and affordable strategies such as encapsulation in semipermeable matrices, cellular assembly, or exploration of cell-derived abiotic products are explored to improve MSC’s performance. Three main strategies are suggested: (i) the long-term stimulation of MSCs as providers of abiotic cell secretomes; (ii) the improvement of the shape/handeability of living cell aggregates, using centimetric fibers; and (iii) the exploration of abiotic cell-derived volumetric biomaterials based on devitalized cell aggregates. Specifically, living MSCs were first encapsulated in non-degradable alginate matrices to collect immunomodulatory conditioned media, up to 22 days. Encapsulated cells were incubated with interferon-gamma (IFNγ) using different exposure regimens, including intermittent stimulation. This work provided the unprecedented finding that MSCs can cyclically respond to a biochemical inflammatory stimulus over time, producing secretome cocktails with different immunomodulatory compositions. While conditioned media administered to non-polarized macrophages or endothelial cells led to significant changes in immunomodulatory activity, the angiogenic potential of secretomes was less affected by IFNγ. This technology may find application treating recurrent inflammation scenarios, or in the development of living biofactories to produce in vitro-tailored therapeutic abiotic cocktails. In a second approach, living MSCs were aggregated into fibre-shaped constructs. Such living cellular fibers were rapidly assembled (< 24 hours) in centimeter-long flexible structures using a completely biomaterial- and scaffold-free approach. These constructs modulated the secretion of immunomodulatory and regenerative factors by MSCs, and could invade simplistic in vitro tissue models. The incorporation of endothelial cells in cell fibers improved their angiogenic potential. A last strategy reported here relied on the hypothesis that the therapeutic effects of MSCs could be partially replicated and prolonged through the production of phenotypically stable cell structures with volumetric shape-adaptable features. These structures were achieved through the devitalization of cellular MSCs-based aggregates. Before devitalization, living MSCs were modulated to improve their anti-inflammatory effect on human macrophages and their immunosuppressive effect in activated T lymphocytes, inducing regulatory phenotypes in vitro. These materials showcased anti-inflammatory potential in mice models of skin wounds. These devitalized constructs may comprise safer and stable biomaterials when compared to living materials. Collectively, this thesis reports the development of versatile MSCs-based biomaterials explored to produce affordable, easy-to-implement and scalable strategies to improve the therapeutic value of cells for immunomodulation and tissue engineering applications.

Avanços no design de terapias derivadas de células são promovidos pela maximização do valor terapêutico das células. As células estromais mesenquimais (CEM) têm propriedades anti-inflamatórias e regenerativas. A infusão de CEM demonstrou segurança em vários ensaios clínicos, mas a eficácia foi inconsistente no tratamento de doenças inflamatórias. Isto foi parcialmente justificado pela compreensão incompleta dos mecanismos terapêuticos das CEM, pela sua rápida eliminação e pela possível aquisição de fenótipos imprevisíveis após entrega. Nesta tese, estratégias acessíveis e de fácil manuseamento, como encapsulamento em matrizes semipermeáveis, agregação celular ou a exploração de produtos abióticos derivados de células, são exploradas para melhorar o desempenho das CEM. Sugerem-se três estratégias principais: (i) a estimulação a longo prazo das CEM como fornecedoras de secretomas abióticos; (ii) a melhoria da forma/manuseabilidade de agregados de células vivas, utilizando fibras centimétricas; e (iii) a exploração de biomateriais abióticos volumétricos baseados em agregados celulares desvitalizados. Especificamente, CEM vivas foram primeiro encapsuladas em matrizes de alginato não degradáveis para recolher meios condicionados imunomoduladores, até 22 dias. As células encapsuladas foram incubadas com interferão gama (IFNγ) utilizando diferentes regimes de exposição, incluindo estimulação intermitente. Este trabalho proporcionou a descoberta inédita de que as CEM podem responder ciclicamente a um estímulo inflamatório bioquímico ao longo do tempo, produzindo cocktails de secretoma com diferentes composições imunomoduladoras. Embora o meio condicionado administrado a macrófagos não polarizados ou células endoteliais tenha levado a alterações significativas na atividade imunomoduladora, o potencial angiogénico dos secretomas foi menos afetado pelo IFNγ. Esta tecnologia pode aplicar-se no tratamento de cenários de inflamação recorrente ou no desenvolvimento de biofábricas de cocktails abióticos personalizados in vitro. Numa segunda abordagem, CEM vivas foram agregadas em forma de fibra. Estas formaram-se rapidamente (<24 horas) em estruturas flexíveis centimétricas vivas, usando uma abordagem livre de biomateriais e scaffolds. As fibras modularam a secreção de fatores imunomoduladores e regenerativos pelas CEM e invadiram modelos simplistas de tecidos in vitro. A incorporação de células endoteliais nas fibras celulares melhorou o seu potencial angiogénico. A última estratégia hipotetizou que os efeitos terapêuticos das CEM poderiam ser parcialmente replicados/prolongados produzindo estruturas volumétricas fenotipicamente estáveis de forma adaptável. Estas envolveram a desvitalização de agregados de CEM. Antes da desvitalização, as CEM vivas foram moduladas para melhorar o seu efeito anti-inflamatório em macrófagos humanos e o seu efeito imunossupressor em linfócitos T ativados, induzindo fenótipos regulatórios in vitro. Estes materiais apresentaram potencial anti-inflamatório em modelos de feridas cutâneas em ratos. Estas estruturas desvitalizadas podem representar biomateriais mais seguros e estáveis quando comparados com materiais vivos. Coletivamente, esta tese desenvolveu biomateriais versáteis baseados em CEM explorados para produzir estratégias acessíveis, fáceis de implementar e escaláveis para melhorar o valor terapêutico das células para aplicações de imunomodulação e engenharia de tecidos.