3D natural hydrogel platform for spinal cord regeneration

In recent years, researchers have begun to explore the possibility of using tissue engineering technology in spinal cord regeneration to repair spinal cord injuries. A spinal cord injury (SCI) is a damage to any part of the spinal cord that often causes permanent changes in strength, sensation and other body functions. This condition is a major medical problem because there currently is no way to repair the central nervous system (CNS) and restore function. It is believed that tissue engineering by using biomaterials, seed cells and grow factors is the best strategy to successfully regenerate the tissue. A stimulating and permissive environment able to mimic the tissue in vivo is required for the three-dimensional (3D) culture of spinal cord cells. A natural degradable polymer is the culture platform that possesses the suitable properties for spinal cord applications. One of the main naturally derived polymers is hyaluronic acid (HA), which is one of the main components of the spinal cord tissue and plays a crucial role in wound healing processes. In this work, we developed a 3D hyaluronic acid hydrogel network that is versatile, easy to produce and degradable. The synthesis of HANorb and the following functionalization of the hydrogel using thiol-ene click chemistry allowed us to provide a culturing environment mimicking the in vivo spinal cord tissue. HANorb was the main component of our network, containing thiol-modified polyethylene glycol (PEG2SH) or degradable peptide sequence (MMP degradable peptide sequence) as crosslinkers and cell adhesion peptides (RGD and YIGSR). The hydrogel potential for the encapsulation of neural embryoid bodies (EBs) and embryonic stem cell-derived motor neurons (ESMN) was investigated. Cell viability and axon elongation were observed in the hydrogels to explore the gel-cell interaction and to evaluate if the hydrogels could be an effective culture platform for adhesion and growth of neural cells for spinal cord applications. Our results demonstrate that the 3D platform for culture of both aggregated and single motor nerve cells not only permits cell survival, but also allows extension of axons.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno iniziato a esplorare la possibilità di utilizzare l’ingegneria dei tessuti nella rigenerazione del midollo spinale per ripararne le lesioni. La lesione del midollo spinale è un danno a qualsiasi parte del midollo spinale che spesso provoca cambiamenti permanenti in forza, sensazione e altre funzioni del corpo. Questa condizione è un grave patologia perché attualmente non esiste una terapia per riparare il sistema nervoso centrale e ripristinare la funzione. Si ritiene che l'ingegneria tissutale combinando biomateriali, cellule e fattori di crescita sia la migliore strategia per rigenerare con successo il tessuto. Per la cultura tridimensionale (3D) delle cellule del midollo spinale è necessario un ambiente stimolante e permissivo in grado di imitare il tessuto in vivo. Un polimero naturalmente degradabile è un sistema di coltura che può possedere le proprietà adeguate per le applicazioni del midollo spinale. Uno dei principali polimeri derivati naturalmente è l'acido ialuronico (HA), che è uno dei componenti principali del tessuto del midollo spinale e svolge un ruolo cruciale nei processi di guarigione delle ferite. In questo progetto, abbiamo sviluppato una rete 3D di idrogel di acido ialuronico versatile, facile da produrre e degradabile. La sintesi di HANorb e la successiva funzionalizzazione dell'idrogel mediante la chimica dei tioli a scatto ci ha permesso di fornire un ambiente di coltura che mimava il tessuto in vivo. HANorb è stato il componente principale dell’idrogel, contenente polietilene glicole modificato con gruppi tiolo (PEG2SH) o una sequenza di peptidi degradabili (sequenza di peptidi degradabili MMP) come reticolanti e peptidi di adesione cellulare (RGD e YIGSR). È stata studiata la capacità dell’idrogel di incapsulare corpi embrioidi (EB) e neuroni motori derivati da cellule staminali embrionali (ESMN). La vitalità cellulare e l'allungamento degli assoni sono stati osservati negli idrogel per valutare se gli idrogel potrebbero essere una piattaforma di coltura efficace per l'adesione e la crescita delle cellule neurali in applicazioni del midollo spinale. I nostri risultati dimostrano che la piattaforma 3D per la coltura di cellule nervose sia aggregate sia singole non solo consente la sopravvivenza cellulare, ma consente anche l'estensione degli assoni.