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Publication
Understanding the influence of shear stress and support cells (MSC) to engineer vascularized units for tissue engineering applications
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 4.29 MB | Adobe PDF |
Abstract(s)
Impaired healing of chronic wounds remains a major challenge for healthcare systems due to
the complexity of restoring functional vascular networks. Current therapies are limited,
highlighting the need for new strategies to promote vascularization and tissue regeneration.
The present work investigates how biomaterials, cellular heterotypic systems, and
biomechanical stimulation can be combined to support the development of stable and
functional vascular networks. Bi-cultured spheroid were developed based on stromal and
endothelial cells and showed a critical role of mesenchymal stem cells (MSCs) in supporting
endothelial colony forming cells (ECFCs) organization through extracellular matrix (ECM)
deposition and pro-angiogenic signalling. Early-stage spheroids exhibited the highest metabolic
activity and were therefore selected for the subsequent studies. Fibrin hydrogels provided a
suitable environment for cellular growth and angiogenic sprouting but showed contraction
after seven days due to MSC-mediated degradation. GelMA, being softer, with higher
degradation rate, lost structural integrity, preventing ECFC elongation outside the spheroid core.
Microfluidic experiments further revealed that laminar flow (shear stress) strongly influenced
outcomes. Flow rates of 15–20 μL/min promoted vessel elongation, increased network
complexity, and improved stability and maturation, particularly in spheroids with higher rate of
MSCs. Together, these findings establish a framework for advancing vascularized tissue
constructs toward regenerative applications.
As feridas crónicas apresentam um desafio clínico significativo e persistente, especialmente em virtude do envelhecimento da população, o que resulta no comprometimento natural da capacidade regenerativa do organismo. A presença de comorbilidades, como diabetes, doenças vasculares periféricas ou infeções recorrentes, agrava ainda mais a dificuldade de cicatrização, frequentemente conduzindo a processos lentos e incompletos que pioram o prognóstico do paciente. Clinicamente, as terapias atualmente disponíveis demonstram eficácia limitada, principalmente por não conseguirem recriar de maneira adequada a complexa rede vascular necessária para fornecer oxigénio, nutrientes e suporte parácrino aos tecidos em regeneração. Esta lacuna enfatiza a necessidade urgente de estratégias inovadoras que possam estimular a formação de vasos sanguíneos estáveis, funcionalmente maduros e integrados na matriz tecidual, promovendo a regeneração dos tecidos e melhorando os resultados clínicos. Neste contexto, o presente trabalho explorou a combinação de abordagens baseadas em biomateriais, sistemas celulares de cultura heterotípica e estímulos biomecânicos como uma estratégia promissora para o desenvolvimento de unidades teciduais vascularizadas. O estudo focou-se na análise das interações entre diferentes tipos celulares, nomeadamente as células estaminais mesenquimais (MSCs) e células endoteliais formadoras de colónias (ECFCs), em microambientes tridimensionais, bem como na maneira pela qual tais interações podem ser manipuladas pelas propriedades do biomaterial e por forças mecânicas, com o objetivo de otimizar a formação de redes microvasculares funcionais. Os resultados dos estudos com microambientes tridimensionais, nomeadamente esferoides celulares, demonstraram que as MSCs desempenham um papel crítico no suporte às ECFCs, por meio da deposição de matriz extracelular (ECM) e da sinalização parácrina pró-angiogénica. Observou-se que os esferoides em estágios iniciais apresentavam a maior atividade metabólica, refletindo elevada viabilidade celular e uma intercomunicação apropriada entre as células. Na avaliação dos distintos biomateriais, nomeadamente os hidrogéis de fibrina e de GelMA, observou-se que, após um período de sete dias, a estrutura do gel de fibrina apresenta uma aparente contração, a qual é atribuída à remodelação da matriz mediada pelas MSCs. Por outro lado, o hidrogel à base de gelatina (GelMA), devido às suas propriedades distintas em relação à fibrina, apresentou maior suscetibilidade à degradação e perda acelerada da integridade estrutural. Verificou-se que as MSCs contribuem para a compactação do esferoide e para a redução da integridade estrutural do material, sendo evidenciado pela maior contração da matriz, limitando a reorganização das ECFCs, evidenciado pela análise de imagens onde não se observa o elongamento destas células fora do centro do esferoide. Uma vez que o aspeto mecânico da formação dos microvasos é geralmente negligenciado, este trabalho envolveu a formação de unidades vasculares de alta densidade (esferoides) em condições de cultura estática e dinâmica, de maneira a proporcionar um ambiente mais semelhante ao in vivo para o estudo angiogénico. Os protocolos realizados em sistemas microfluídicos evidenciaram que o cisalhamento induzido pelo fluxo do meio influencia significativamente a elongação das células endoteliais, a complexidade das redes e a estabilidade das estruturas formadas. Taxas de fluxo contínuo entre 15 e 20 μL/min mostraramse particularmente eficazes, promovendo o alongamento vascular, o aumento da ramificação e uma maior persistência das redes ao longo do tempo. Este efeito foi mais pronunciado em esferoides contendo maior proporção de MSCs, o que evidencia a importância da interação entre estímulos mecânicos e sinais parácrinos na regulação da angiogénese. Os resultados sugerem que a aplicação controlada de forças biomecânicas pode constituir uma ferramenta estratégica para orientar a maturação de vasos in vitro, aproximando as construções da funcionalidade observada in vivo. A integração de esferoides celulares, biomateriais e estímulos mecânicos permitiu criar um modelo tridimensional robusto para o estudo da angiogénese e da formação de redes microvasculares estáveis. Este modelo revelou de forma clara os mecanismos através dos quais as MSCs apoiam a sobrevivência e a organização das ECFCs, bem como a forma como as propriedades do biomaterial e do ambiente mecânico podem ser moduladas para otimizar a vascularização. Para além do seu valor científico, o modelo desenvolvido aprofunda a compreensão da angiogénese em sistemas tridimensionais e fornece bases importantes para a engenharia de tecidos e para o desenvolvimento de terapias regenerativas, com aplicação potencial na cicatrização de feridas e na reconstrução tecidual.
As feridas crónicas apresentam um desafio clínico significativo e persistente, especialmente em virtude do envelhecimento da população, o que resulta no comprometimento natural da capacidade regenerativa do organismo. A presença de comorbilidades, como diabetes, doenças vasculares periféricas ou infeções recorrentes, agrava ainda mais a dificuldade de cicatrização, frequentemente conduzindo a processos lentos e incompletos que pioram o prognóstico do paciente. Clinicamente, as terapias atualmente disponíveis demonstram eficácia limitada, principalmente por não conseguirem recriar de maneira adequada a complexa rede vascular necessária para fornecer oxigénio, nutrientes e suporte parácrino aos tecidos em regeneração. Esta lacuna enfatiza a necessidade urgente de estratégias inovadoras que possam estimular a formação de vasos sanguíneos estáveis, funcionalmente maduros e integrados na matriz tecidual, promovendo a regeneração dos tecidos e melhorando os resultados clínicos. Neste contexto, o presente trabalho explorou a combinação de abordagens baseadas em biomateriais, sistemas celulares de cultura heterotípica e estímulos biomecânicos como uma estratégia promissora para o desenvolvimento de unidades teciduais vascularizadas. O estudo focou-se na análise das interações entre diferentes tipos celulares, nomeadamente as células estaminais mesenquimais (MSCs) e células endoteliais formadoras de colónias (ECFCs), em microambientes tridimensionais, bem como na maneira pela qual tais interações podem ser manipuladas pelas propriedades do biomaterial e por forças mecânicas, com o objetivo de otimizar a formação de redes microvasculares funcionais. Os resultados dos estudos com microambientes tridimensionais, nomeadamente esferoides celulares, demonstraram que as MSCs desempenham um papel crítico no suporte às ECFCs, por meio da deposição de matriz extracelular (ECM) e da sinalização parácrina pró-angiogénica. Observou-se que os esferoides em estágios iniciais apresentavam a maior atividade metabólica, refletindo elevada viabilidade celular e uma intercomunicação apropriada entre as células. Na avaliação dos distintos biomateriais, nomeadamente os hidrogéis de fibrina e de GelMA, observou-se que, após um período de sete dias, a estrutura do gel de fibrina apresenta uma aparente contração, a qual é atribuída à remodelação da matriz mediada pelas MSCs. Por outro lado, o hidrogel à base de gelatina (GelMA), devido às suas propriedades distintas em relação à fibrina, apresentou maior suscetibilidade à degradação e perda acelerada da integridade estrutural. Verificou-se que as MSCs contribuem para a compactação do esferoide e para a redução da integridade estrutural do material, sendo evidenciado pela maior contração da matriz, limitando a reorganização das ECFCs, evidenciado pela análise de imagens onde não se observa o elongamento destas células fora do centro do esferoide. Uma vez que o aspeto mecânico da formação dos microvasos é geralmente negligenciado, este trabalho envolveu a formação de unidades vasculares de alta densidade (esferoides) em condições de cultura estática e dinâmica, de maneira a proporcionar um ambiente mais semelhante ao in vivo para o estudo angiogénico. Os protocolos realizados em sistemas microfluídicos evidenciaram que o cisalhamento induzido pelo fluxo do meio influencia significativamente a elongação das células endoteliais, a complexidade das redes e a estabilidade das estruturas formadas. Taxas de fluxo contínuo entre 15 e 20 μL/min mostraramse particularmente eficazes, promovendo o alongamento vascular, o aumento da ramificação e uma maior persistência das redes ao longo do tempo. Este efeito foi mais pronunciado em esferoides contendo maior proporção de MSCs, o que evidencia a importância da interação entre estímulos mecânicos e sinais parácrinos na regulação da angiogénese. Os resultados sugerem que a aplicação controlada de forças biomecânicas pode constituir uma ferramenta estratégica para orientar a maturação de vasos in vitro, aproximando as construções da funcionalidade observada in vivo. A integração de esferoides celulares, biomateriais e estímulos mecânicos permitiu criar um modelo tridimensional robusto para o estudo da angiogénese e da formação de redes microvasculares estáveis. Este modelo revelou de forma clara os mecanismos através dos quais as MSCs apoiam a sobrevivência e a organização das ECFCs, bem como a forma como as propriedades do biomaterial e do ambiente mecânico podem ser moduladas para otimizar a vascularização. Para além do seu valor científico, o modelo desenvolvido aprofunda a compreensão da angiogénese em sistemas tridimensionais e fornece bases importantes para a engenharia de tecidos e para o desenvolvimento de terapias regenerativas, com aplicação potencial na cicatrização de feridas e na reconstrução tecidual.
Description
Keywords
Biomaterials hydrogel spheroids microtissues biomechanical stimulus angiogenesis Biomateriais hidrogel esferoide microtecidos estímulo biomecânico angiogénese