Riassunto analitico
Le malattie cardiovascolari (CVDs) sono la più comune causa di morte con circa 17,3 milioni di casi ogni anno nel mondo e tra le CVDs, l'infarto del miocardio (MI), al giorno d’oggi, ne costituisce una delle principali. Il trattamento attuale è principalmente sintomatico, poiché le terapie rigenerative sono carenti. Nell’ultimo decennio è emersa una nuova strategia terapeutica per i pazienti con infarto del miocardio. Questo nuovo trattamento permette di rigenerare il cuore lesionato e consiste nell’utilizzo di cellule staminali e proteine, supportate da scaffolds polimerici. La terapia cellulare è basata sulla somministrazione di cellule staminali, come quelle del midollo osseo, le cellule staminali pluripotenti indotte o le cellule staminali del tessuto adiposo. Riguardo la somministrazione di proteine terapeutiche, i fattori di crescita risultano essere di grande importanza poiché riescono a stimolare la riparazione del tessuto cardiaco, attraverso la formazione di nuovi vasi sanguigni e la proliferazione di cardiomiociti. Gli scaffolds sono formati da strutture polimeriche come ad esempio micro e nano-particelle, idrogel e liposomi e potrebbero fornire un supporto per le cellule affinché stimolino la loro sopravvivenza nel cuore. Recentemente sono state scoperte cellule staminali cardiache (CSCs), portando così nuove prospettive per la rigenerazione miocardica e la riparazione del tessuto. CSCs sono cellule tessuto-specifiche del cuore adulto che possiedono le proprietà fondamentali delle cellule staminali classiche, come l’auto-rigenerazione, la clonogenicità e la multipotenzialità. Inoltre è stato descritto che queste cellule staminali sono in grado di differenziarsi in cardiomiociti e in vasi sanguigni, fornendo la protezione del miocardio. Tuttavia studi effettuati sino ad ora, sebbene promettenti, hanno dimostrato che la loro efficienza è limitata da un basso tasso di sopravvivenza. Pertanto, lo scopo di questo progetto è quello di sviluppare un nuovo sistema in grado di aumentare la sopravvivenza cellulare nel miocardio infartuato. CSCs da sole o associate con microparticelle polimeriche (scaffolds), sono state iniettate nel miocardio infartuato di un modello di ratto MI. La funzione cardiaca è stata analizzata attraverso l’ecocardiografia per valutare l’efficacia del trattamento. Successivamente, i ratti sono stati sacrificati in quattro fasi differenti (uno, sette, quindici e trenta giorni dopo il trattamento) per studiare la sopravvivenza e la differenziazione cellulare e inoltre per stimare la funzione cardiaca. Un mese dopo il trapianto cellulare, nonostante entrambi i trattamenti migliorano la funzione cardiaca degli animali, lo studio ecocardiografico ha dimostrato un maggior miglioramento nella frazione di eiezione dei ratti trattati con CSCs-MPs indicando una migliora guarigione. Riguardo all’impianto cellulare, i risultati ottenuti mostrano un notevole miglioramento della sopravvivenza cellulare nel gruppo di animali trattato con CSCs aderite alla superficie di MPs. Infatti, CSCs-MPs sono sopravvissute di più rispetto a CSCs senza scaffolds in tutti i tempi trattati. Inoltre un mese dopo l’iniezione, CSCs da sole non sono state rilevate, mentre una piccola percentuale di CSCs-MPs erano ancora presenti nel tessuto cardiaco. L’analisi della differenziazione cellulare ha rilevato che le CSCs, caricate o no con MPs, sono in grado di differenziarsi in vasi sanguigni e cellule endoteliali, una e due settimane dopo l’innesto delle CSCs nel cuore. Invece la differenziazione cellulare in cardiomiociti non è stata rilevata in nessun caso. In conclusione, questo progetto evidenzia l’importanza degli scaffolds polimerici. Queste strutture 3D sembrano essere fondamentali per migliorare la sopravvivenza cellulare delle CSCs e quindi permettere la rigenerazione del tessuto cardiaco
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Abstract
Cardiovascular diseases (CVDs) are the leading cause of death worldwide, accounting for 17.3 million deaths each year. Among CVDs, there is myocardial infarction (MI), which is one of the main causes of death today. Current treatment is mainly symptomatic, because curative therapies are lacking.
Over the past decade, cardiac tissue engineering has emerged as a new therapeutic strategy for the treatment of patients with ischemic heart disease. This new treatment allows regenerating the injury heart and it is based on the combination of cell and protein therapy with scaffolds. On the one hand, cell therapy is based on the administration of stem cells, such as bone marrow stem cells, induced pluripotent stem cells or adipose derived stem cells among others, to repopulate the injured myocardium. Regarding the administration of therapeutic proteins, growth factors are of great importance because they are able to improve heart tissue repair, through several pathways such as new blood vessel formation or cardiomyocytes proliferation. Scaffolds are formed by polymeric structures such as micro and nanoparticles, hydrogels and liposomes and could provide a support for cells to enhance their engraftment and survival in the heart.
Recently, cardiac stem cells (CSCs) have been discovered, bringing new promising views for myocardial regeneration and tissue repair. CSCs are tissue-specific stem cells of the adult heart that possess the fundamental properties of classic stem cells, such as self-renewal, clonogenicity, and multipotenty. Moreover, it has been described that these stem cells have the ability to differentiate into cardiomyocytes and blood vessels, providing myocardial protection. However, the studies performed until now, although promising, have demonstrated that their efficiency is limited by the low survival rate observed after heart injection.
Thus, the aim of this project is to develop a novel delivery system able to increase CSCs survival in the injured myocardium likewise induce cardiac tissue repair.
CSCs alone or combined with polymeric micorparticles (scaffolds) were injected into the infarcted myocardium of rat MI model. Cardiac function was analyzed through echocardiography to evaluate the efficacy of the treatment. After that, rats were sacrificed at four different times (one day, one week, two weeks and one month after treatment) to investigate stem cell survival and differentiation and to assess the effect of the treatment on cardiac function.
One month after transplantation, despite both treatments improve the cardiac function of the animals, the echocardiography study demonstrated a higher improvement in the ejection fraction of the rats treated with CSCs-MPs indicating a better recovery.
Regarding cell engraftment, the results obtained showed a considerable improvement of cell survival in the group of animals treated with CSCs attached to MPs surface. In fact, CSCs-MPs survived more than free CSCs at one day, one and two weeks after treatment. Moreover one month after injection, free CSCs were not detected, whereas a small percentage of CSCs-MPs were still present in the cardiac tissue.
The analysis of cell differentiation revealed that CSCs, adhered or not to MPs, were able too differentiate into blood vessels and endothelial cells, one and two weeks after the engraftment of the CSCs in the heart. Cell differentiation into cardiomyocytes was not detected in any case.
In conclusion, this project highlights the relevance of polymeric scaffolds. These 3D supports appear to be essential to improve the survival of the CSCs and therefore to allow cardiac-tissue regeneration.
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