Synergetic natural extracellular matrix in alginate hydrogel scaffold as a biomaterial for cardiac regeneration : electrical and mechanical stimulation for functional enhancement

Myocardial tissue lacks the ability to regenerate itself following a myocardial infarction, thus tissue engineering strategies have been investigated to generate a whole tissue cardiac patch implant. The goal of this work was to engineer a cardiac patch utilizing properties of three different scaffolds: alginate hydrogel, decellularized porcine extracellular matrix (ECM) and pulverized ECM in alginate hydrogel. Alginate hydrogel are biocompatible, no toxic and not immunogenic and material properties can be regulated, but they are not biologically active in the sense of protein absorption and cell attachment. We also used decellularized matrix scaffolds because of their the native tissue’s microarchitecture, and biological and chemical support for cells attachment and differentiation, but the low proliferation makes the decellularized ECM ineffective as a cardiac patch regenerative scaffold. So we developed a new scaffold, combining the alginate hydrogel and the decellularized ECM, to take the advantage of both materials, mechanical and materials properties from the alginate and bioactivity from the ECM. The ECM even in powder will orient remodeling of the cells in a scaffold with high porosity and hydrophilicity. Scaffold mechanical and biochemical properties analysis show that cardiac tissue decellularized using 1% Sodium dodecyl sulfate (SDS), disrupts the ECM structure less than decellularization methods. Second, alginate hydrogels properties, such as mechanical, degradation and rehydration tests were evaluated according to the crosslinker concentration (CaCO3 - GDL). Third, the hybrid scaffold evaluation show that the presence of the ECM powder does not cause lost in mechanical and degradation properties compared to the hydrogel. This study further investigates the Wharton’s Jelly cells, isolated from human umbilical cord, differentiation with 5-azacytidine, a cardiogenic differentiation factor. Then to mimic the heart tissue, we developed two different external stimulations: an electrical and a mechanical. The first one encourage cell differentiation, in fact cells cultured within the electric field displayed an aligned elongated morphology compared to cells in static culture. In comparison mechanical compressive stimulation show deeply distributed cells throughout the scaffolds, but predominantly cells on the border area of the sample. These studies illustrate how the scaffolds properties are important in cardiac tissue engineering, and how the use of an external stimulation can influence cell differentiation, proliferation and growth.

Il tessuto cardiaco, in seguito ad un infarto, non presenta nessuna capacità di rigenerarsi, per questo motivo sono necessarie strategie nell’ambito dell’ingegneria dei tessuti. L’obiettivo del progetto è di ingegnerizzare un patch cardiaco utilizzando tre scaffold diversi : idrogel di alginato, matrice extracellulare (ECM) decellularizzata e uno scaffold ibrido creato dalla matrice extracellulare in polvere con il gel in alginato. Gli idrogel di alginato sono biocompatibili, non tossici e non immunogenici con proprietà meccaniche e funzionali controllabili, ma non sono attivi biologicamente, in termini di assorbimento di proteine e attaccamento cellulare. Quindi per superare questo problema si è scelta l’ECM decellularizzata, che presenta la microstruttura del tessuto cardiaco e agisce da supporto biologico e chimico per l’attacco e la differenziazione cellulare. Ma la bassa capacità di proliferazione e migrazione rende l’ECM decellularizzata non completamente adeguata come scaffold per il patch cardiaco. Per questo motivo, abbiamo sviluppato un nuovo scaffold, combinando l’idrogel di alginato e l’EMC decellularizzata, in modo tale da sfruttare i vantaggi di entrambi i materiali. Analisi meccaniche e biochimiche ci hanno portato alla conclusione che il metodo di decellularizzazione con 1% Sodio dodecil solfato (SDS), preserva maggiormente le proprietà dell’ECM. Mentre per gli idrogel, i test meccanici, di degradazione mostrano come le proprietà dell’idrogel sono funzione della concentrazione del crosslinker (CaCO3 - GDL). Infine, abbiamo valutato come la presenza di ECM in polvere non causi alcuna diminuzione in proprietà meccaniche e di degradazione se paragonate all’idrogel, permettendo quindi di poter essere utilizzato come scaffold per un patch cardiaco. Questo studio, si concentra pure sulla differenziazione delle cellule Wharton’s Jelly, isolate dal cordone ombelicale umano, e differenziate con 5-azacytidine, un fattore di differenziazione cardiogenica. Infine, sono stati sviluppati due tipi diversi di stimolazione esterna: una elettrica e una meccanica a compressione. La stimolazione elettrica ha mostrato di incoraggiare la differenziazione cellulare, le cellule infatti mostrano una morfologia allungata e appaiono allineate tra loro, contrariamente alle cellule in coltura statica che si mostrano nella loro forma indifferenziata. Mentre la stimolazione meccanica provoca migrazione cellulare. Questo studio mostra come le proprietà degli scaffold sono importanti nell’ ingegneria dei tessuti, e come l’utilizzo di una stimolazione esterna possa influenzare la differenziazione, la proliferazione e crescita cellulare.