• Nenhum resultado encontrado

Avaliação de suportes eletrofiados de PLLA-ECM para regeneração óssea

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2017

Share "Avaliação de suportes eletrofiados de PLLA-ECM para regeneração óssea"

Copied!
222
0
0

Texto

(1)

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO 

INSTITUTO DE QUÍMICA 

Programa de Pós‐Graduação em Química 

 

 

 

 

 

Mariana Carvalho Burrows 

 

Avaliação de suportes eletrofiados de 

PLLA‐ECM para regeneração óssea 

 

 

 

 

 

 

Versão corrigida da tese de defendida 

 

 

São Paulo 

Data do Depósito na SPG: 

(2)

 

Mariana Carvalho Burrows

 

 

 

 

Avaliação de suportes eletrofiados de PLLA‐ECM para 

regeneração óssea 

 

 

 

 

Tese  apresentada  ao  Instituto  de  Química  da 

Universidade  de  São  Paulo  para  obtenção  do 

Título  de  Doutora  em  Ciências  no  Programa  de 

Química. 

 

 

 

 

 

Orientador: Prof. Dr. Luiz Henrique Catalani 

 

 

 

 

São Paulo 

(3)

Mariana&Carvalho&Burrows&

&

Avaliação)de)suportes)eletrofiados)de)PLLA4ECM)para)regeneração)óssea)

&

&

(4)

 

This thesis is dedicated to the ones whom I love most 

Almighty God, 

My lovely and supportive husband and son,  

David John Burrows and David John Carvalho Burrows and 

My parents Vicente Carvalho Lima e Lidia M C Carvalho

.

(5)

ACKNOWLEDGEMENTS

Finally, this moment has arrived! I can not express in words all the feelings and moments that come to  mind when I think about the idea of finally being awarded my Ph.D. degree. The following quote is the  closest description of all the battles I faced throughout my journey: “Ph.D. is an exhausting, emotional  struggle. You are forced to confront all your fears, insecurities and doubts you have about yourself and  somehow  overcome  them.  It  is  terrifying.  A  lot  of  bravery  is  required,  which  often  goes  unrecognised  and unrewarded” ‐ Anonymous. 

God,  my  Saviour,  the  God  who  created  me  and  chose  me  before  I  was  born  and  even  before  I  was  conceived, gave me this victory, and all the Honour is to His name.  

God  has  been  very  merciful  in  my  life;  He  gave  me  the  blessing  of  finding  on  my  academic  path  such  good  people  from  all  around  the  world.  The  people  I  met  on  my  journey  helped  me in  many  different  ways; furthermore, they have my deepest admiration. I will try to mention by name all those people that  were  so  important  to  make  this  dream  come  true.  Each  of  you  taught  me  something  that  built  the  person and professional that I am now. How many times have I thought of giving up? Many! How many  times  have  I  thought  my  PhD  was  a  higher  mountain  than  I  had  the  energy  to  climb?  Thousands!  However, all the following people were there to show me that I was not alone on this journey, and this  gave me the resilience I needed. 

(6)

 

My husband was the person that knew about my dream of doing my MSc. and my PhD since the day we  first met. He did everything to inspire me and make it possible for my dream to become reality. He took  my dream as his own, everything related to my studies came first and for all the efforts he made, that’s  why this thesis also belongs in my heart to David John Burrows.  

My son grew up understanding why I was doing a PhD and what I was doing every day at University. The  happiest days for my son were when he was able to come and visit the lab for a short time to see for  himself where mummy used to go every day. He understood why academic research is so important and  so close to everyone’s life. He understood so well that today at 8 years old, he tells people that he wants  to be a chemistry researcher.  

I  cannot  express  how  I  felt  after  some  experiments  failed  after  months  of  preparation...  Your  biggest  experiment has failed and nothing that you can think of would make it work, but then you come home  and you find two awesome smiles and many comfort hugs to cheer you up. They thell you that they love  you and that they will support you in every task you need to accomplish no matter how many more big  experiments  you  need  to  conduct,  and  tell  you  to  never  give  up.  My  husband  and  my  son,  my  two  Davids, my two beloveds, were the forces that God put in this world to remind me that I should never  give up. They are my angels. 

(7)

I  am  also  very  proud  of,  and  thankful  to,  my  brothers,  Antônio  Felipe  and  Vicente,  both  aeronautical  engineers; they showed me how it is possible to have dreams come true. They are such an inspiration to  me, in addition, they always were there supporting me. 

I am extremely thankful to my supervisor Dr. Luiz Henrique Catalani, who was responsible for me during  my MSc. and my PhD, and who advised, guided and encouraged me on my way. I would like to say that  he was not only a boss but also a great mentor. He taught me how to be critical about my data, how to  think as a researcher, how to raise questions. In addition to this I can say that he was like a father to me,  that took actions always thinking of the best for me.  

I am also extremely thankful to my supervisor Dr. Eileen Gentleman, a brilliant researcher, from  who I  have  learned  so  much,  She  always  believed  in  my  academic  potential,  always  encouraged  me,  and  always had great ideas that solved my problems in five minutes. I am very grateful and proud to have  been one of your students.  

My  research  would  never  have  been  possible  without  the  support  of  the  Universidade  de  São  Paulo,  specifically  the  Instituto  de  Química,  and  King’s  College  London,  specifically  the  department  of  Craniofacial Development and Stem Cell Biology. It was a great honour being on the student roll of two  such renowned Universities in my research area. 

Thanks to Prof. Dr. Frederic Festy who helped me with the SHG and Micro‐Raman analysis and supported  me with the Clustering Analysis Program and interpretation of the data. 

Thanks to Prof. Dr. Cynthia Andoniadou and Prof. Dr. Agi Gregoriardis that helped me through discussion  of my data, and for all the raised questions during our weekly lab meetings. I am very thankful because  you gave me the opportunity to learn about different research fields, approaches and techniques. 

(8)

 

de  Biomateriais  Poliméricos.  THANKS  to:  Vânia  Bueno,  Ana  Paula  Immich,  Renata  Fogaça,  Ricardo  Bentini,  Alliny  Naves,  Vitor  Zamarion,  Diego  Clemente,  Fernando  Luengo,  Janaína  Barros,  Daniel  Minatelli,  Flávia  Cara,  Mayara  Sguerra,  Danielle  Juais,  Patrícia  Ponce,  Antônio  Caldeira  and  Flávia  Gonçalves. They were there every time for whatever I needed and I always knew that. They helped with  my experiments and analysis; furthermore, they always had friendly words, hugs and smiles on a daily  basis. So much time spent together, these unforgettable friends are far away the best group I could find  during  such  a  hard  time  as  post‐graduate  studies.  I  will  never  forget  our  songs,  our  jokes,  our  happy  hours and thesis celebrations, our lunchtimes, our breakfasts, our pizza nights for night work shifts, and  how good we were working together. Thanks for your friendship! I wish you the best that life can give to  you. God bless you all! Today we are all apart in different parts of the world but our memories keep us  together and I wish that wherever you are that you can each shine as a professional and as a person, as  you shone on my pathway. 

My unforgettable friend, Silvia Oliveira de Paula, this thesis is also dedicated to you, we had such happy  moments together, our trips, our lunch times, your hugs, your advice. Every time we met since I went to  the UK, we cried out of happiness. You were like a mum to me ‐ I remember your voice, your smile, your  hug. I know how much you wanted to see me finishing my PhD, and I do it thinking about how proud you  would be of me. 

(9)

As  I  said  before,  this  thesis  would  never  have  been  possible  If  God  did  not  put  in  my  path  the  many  angels  that  I  found  on  my  way.  My  best  friend  and  my  sister,  Aline  Ferro,  was  always  amazing,  supporting me in every moment, many times cheering me up, giving me a bed in her house, sometimes  making  me  a  hot  dinner  when  I  was  miles  and  miles  away  from  my  family.  I  have  no  words  to  acknowledge you! You have such a big and pure heart. I know everything you did is because you love me  a lot but I can say to you that I love you a lot too and I hope that one day I can give you back everything  that you gave to me, not expecting to get it back. Thanks Aline because You gave me the gift of knowing  your husband Ricardo Ferro and your son Samuel Ferro. Thanks Ricardo for all the times you looked after  me,  taking  me  to  the  airport,  moving  house,  for  all  days  I  have  spent  in  your  house,  for  being  so  friendly...  God  bless  you!  The  Burrows  family  loves  the  Ferro  family,  and  your  family  is  the  clear  expression of love and blessings of God in my life. 

Thanks  to  Prof.  Dra.  Ana  Campa  and  her  group  for  all  their  patience  while  giving  me  the  induction  training on cell culture, all the professionalism and friendship, and additional special thanks to Silvana,  Fabíola, Franciele and Edson. 

Thanks to Prof. Dra. Célia Regina da Silva Garcia and her group for the scientific contributions. 

Thanks to Prof. Dr. Roberto Torresi and Prof. Dra. Suzana Torresi and their group, that always were kind  and ready to cover my SEM samples with gold. 

Thanks to my PhD lecturers, Prof. Dr. Jivaldo do Rosário Matos, Prof. Dra. Denise Freitas Siqueira Petri,  Prof. Dr. Luiz Fernando da Silva Júnior, Prof. Dr. Josef Wilhelm Baader, Prof. Dr. Yoshio Kawano. 

(10)

 

Thanks to the post‐graduation officers at the Instituto de Química (USP): Cibelle, Milton, Emiliano, Ale e  Marcelo. In addition to them, thanks to the post‐graduation officers from King’s College London: Angela  Gates and Christopher Healy. Thank you all for your friendship and all your kindness. 

Thanks to the lab technicians from Instituto de Química (USP): Luiz, Marcos (Bigão) and Alfredo, you are  amazing!!! Always solving my problems, finding and sorting out machines I needed to use, finding and  buying my reagents, trying to keep the lab tidy and on top of this for being so very friendly. Thanks to the  lab technician from King’s College London: Susmitha Rao, that helped a lot on the cell culture and have  being  always  kind  and  friendly  to  me,  and  Edgar  Alasdair  that  helped  me  with  tissue  processing  and  histology staining. 

Thanks to my Brazilian friends that I met in the UK during my PhD, Tathy, Renata, Isabella and Rodrigo  Moura, Sara and Eduardo Dias, Mika and Pedro,  Dezyree e Pablo Pereira, Katia Reis and Jose Delgado,  You guys are fabulous and amazing friends, thanks for the friendship and all the support you gave me, it  was very nice to have a piece of Brazil and feeling part of a family in the UK. 

Thanks to my in‐laws Suzanne and Donald Burrows. Thanks for every time you supported your son and  grandson while I was at University either in São Paulo or in London. Furthermore, I am thankful because  you raised the boy who is now my husband and is such a gentleman and honourable man. 

Thanks to FAPESP because the financial support for my PhD at USP and for my research sponsorship at  King’s  College  London  was  essential.  Thanks  because  FAPESP  always  believed  in  my  potential  as  a  researcher  and  supported  me  with  funding.  In  addition,  thanks  to  CNPQ  and  Capes  for  the  financial  support. 

(11)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 “You  cannot  connect  the  dots  looking  forward;  you  can  only  connect  them 

looking backward. So you have to trust that the dots will somehow connect in 

your  future.  You  have  to  trust  in  something  —  your  gut,  destiny,  life,  karma, 

whatever.  This  approach  has  never  let  me  down,  and  it  has  made  all  the 

difference in my life.” 

Steve Jobs 

 

(12)

 

Resumo 

Burrows,  M.  C.,  Avaliação  de  suportes  eletrofiados  de  PLLA‐ECM  para  regeneração  óssea. 2016.  219.  Tese de Doutorado‐ Programa de Pós‐Graduação em Química. Instituto de Química, Universidade de São  Paulo, São Paulo. 

(13)

malha  menos  porosa.  As  análises  de  TGA  e  DSC  confirmaram  a  incoporação  das  ECMs  nas  malhas  eletrofiadas, e através da técnica de TPEF‐SHG observou‐se a distribuição das proteinas no polímero. O  potencial  dos  materiais  para  a  regeneração  óssea  foi  avaliado  através  da  cultura  de  células  tronco  mesenquimais de medula óssea sobre os suportes eletrofiados durante 21 dias, e em seguida, medidas  de  ALP,  quantificação  de  coloração  com  vermelho  de  alizarina,  imunofluorescência  com  anticorpo  col1a2,  e  expressão  de  gênica  foram  analisadas  para  a  avaliação  de  como  os  materiais  eletrofiados  de  PLLA‐ECM induzem a osteodiferenciação. 

Comparando‐se  materiais  produzidos  por  co‐solução  e  os  materiais  imobilizados  foi  possível  observar  que  a  resposta  osteogênica  é  maior  nos  materiais  híbridos  devido  a  liberação  de  fatores  solúveis  dos  suportes  eletrofiados.  No  entanto,  comparando‐se  o  efeito  da  digestão  enzimática  na  capacidade  de  mineralização dos suportes , é possível observar que o efeito da digestão enzimática é dependente do  tipo de ECM. Em geral, foi possível observar que os suportes eletrofiados de PLLA‐ECM exibem potencial  para  uso  em  engenharia  de  tecidos,  em  específico,  regeneração  óssea,  uma  vez  que  apresentaram‐se  regulados o conjunto de genes bglap, RunX2, Osx, sparc e col1a2.

 

 

 

 

 

Palavras‐chave: Matriz extracelular, PLLA, eletrofiação, engenharia de tecidos, regeneração óssea 

(14)

 

Abstract 

Burrows,  M.  C.,  Evaluation  of  electrospun  PLLA‐ECM  scaffolds  as  biomaterials  for  bone  regeneration. 

2016.  219.  Tese  de  Doutorado  ‐  Programa  de  Pós‐Graduação  em  Química.  Instituto  de  Química,  Universidade de São Paulo, São Paulo. 

(15)

bone  regeneration,  bone  marrow  mesenchymal  stem  cells  (BMMSCs)  were  cultured  on  the  scaffolds  over 21 days. Osteogenic markers such as ALP activity, mineral nodule formation by ARS staining, col1a2  immunostaining, and gene expression were analysed to access how the materials could induce BMMSCs  osteodifferentiation. Comparing NCLK to CLK scaffolds the key factor for osteogenesis is the release of  soluble factors, showing NCLK scaffolds with a higher ability to induce mineralization than CLK scaffolds.  However, when comparing the effect of the enzymatic digestion on the mineralization of the scaffolds  over the days, it is possible to establish that the effect of the enzymatic treatment is also related to the  type of ECM. Despite all those differences, some PLLA‐ECM scaffolds exhibited potential to induce earlier  mineralization,  observed  by  the  analysis  of  bglap,  RunX2,  Osx,  sparc  and  col1a2  genes  as  osteogenic  markers. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(16)

 

List of acronyms and abbreviations 

 

α‐MEM: alpha‐minimal essential medium  

α‐SMA: smooth muscle alpha actin

AB: alamar blue

 

ABAM: antibiotic‐antimycotic  ADAMTS: A desintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs  AKT: protein kinase B  Ala: alanine  ALP: alkaline phosphatase activity  Arg: arginine  ARS: alizarin red staining  Asn: asparagine  Asp: aspartic acid  B‐ECM‐collagenase: extracellular matrix from demineralized bovine cortical bone digested by  collagenase  B‐ECM‐pepsin: extracellular matrix from demineralized bovine cortical bone digested by pepsin  B‐ECM‐trypsin: extracellular matrix from demineralized bovine cortical bone digested by trypsin  B‐ECM: extracellular matrix from demineralized bovine cortical bone  Bglap: bone gamma‐carboxyglutamic acid‐containing protein, also known as osteocalcin  BMMSCs: bone marrow mesenchymal stem cells  BMP: bone morphogenic protein‐2 (BMP‐2); bone morphogenic protein‐4 (BMP‐4)  BSA: bovine serum albumin 

CBFα‐1: core‐binding factor alpha 1 

(17)

Col1a1: type I collagen, alpha 1 chain 

Col1a2: type I collagen, alpha 2 chain 

CS: chondroitin sulphate 

Ct: threshold cycle 

DAPI: 4',6‐diamidino‐2‐phenylindole  DDR2: discoidin domain containing receptor 2  DS: dermatan sulphate  DSC: differential scanning calorimetry  DTG: differential thermogravimetric  ECM: extracellular matrix  EDC: 1‐ethyl‐3‐(3‐dimethylaminopropyl)carbodiimide  EGF: epidermal growth factor  ERK: extracellular signal‐regulated kinase  EthD‐1: ethidium homodimer‐1  FACITs: fibril‐associated collagen with interrupted triple helix  FBS: fetal bovine serum  FGF: fibroblast growth factor  FN: fibronectin  FWHM: full width half maximum  Ile: isoleucine  GAGs: glycosaminoglycans  GASGER sequence: glycine‐alanine‐serine‐ glycine‐glutamic acid‐arginine sequence  GFOGER sequence: glycine‐phenylalanine‐hydroxyproline‐glycine‐glutamic acid‐arginine sequence 

GLA: γ‐carboxyglutamic acid 

(18)
(19)
(20)

  PLLA/P‐ECM‐trypsin: electrospun scaffolds produced from eletrospinning of PLLA and trypsin‐digested  extracellular matrix from bovine pericardium   pNPP: p‐nitrophenylphosphate  PPII: polyproline II  q‐PCR: real‐time polymerase chain reaction  RGD: arginine‐glycine‐aspartic acid amino acid sequence  RNA: ribonucleic acid  ROS: reactive oxygen species  RT buffer: reverse transcription buffer  RunX2: runt‐related transcription factor 2  SDS‐page: sodium dodecyl sulphate polyacrylamide gel electrophoresis  SEM: scanning electron microscopy  Ser: serine  SIBLING: small integrin‐binding N‐glycosylated  SLRPs: small leucine‐rich proteoglycans  Sparc: secreted protein acidic and cysteine‐rich, also known as osteonectin  Sp7: specific protein 7, also know as osterix  Spp1: secreted phosphoprotein 1, also known as osteopontin  TES: N‐[Tris(hydroxymethyl)methyl]‐2‐aminoethanesulfonic acid  TG: thermogravimetric   TGA: thermogravimetric analysis 

TGF‐β: transforming growth factor‐beta 

Thr: threonine 

Tonset: onset temperature of the thermal event 

Tpeak: temperature at the peak of the thermal event 

(21)

List of Figures 

Figure  1.  ECM  representation  and  signalling  molecules  that  direct  the  cell  fate.  Adapted  from  Lutolf  & 

Hubbell 2005) ... 33

 

Figure 2. Scaffolds produced to mimic the tissue environment; Adapted from (Dvir et al. 2011): 1, (Kim et  al. 2010): 2, (Feng et al. 2009): 3, (Roohani‐Esfahani et al. 2010). ... 35

 

Figure 3. Collagen triple helix stabilization; Adapted from Hunter 2010 ... 38

 

Figure 4. Collagen fibrillogenesis reproduced from Klug and Cummings, 1997 ... 40

 

Figure 5. GAGs disaccharide units and features; Adapted from Gandhi and Mancera, 2008 ... 42

 

Figure  6.  Representation  of  the  potential  of  biomaterials  composed  by  decelullarized  ECM  on  tissue  regeneration. Adapted from Reing, J.E. et al., 2009. ... 50

 

Figure 7. Protein quantification using Bradford assay for comparative analysis of the digestion promoted  by collagenase, pepsin and trypsin on B‐ECM), P‐ECM and Col ... 75

 

Figure  8.  Quantification  of  primary  amines  through  ninhydrin  assay  for  comparative  analysis  of  the  digestion promoted by collagenase, pepsin and trypsin on B‐ECM, P‐ECM and Col ... 76

 

Figure 9. GAGs quantification after digestion of B‐ECM, P‐ECM and Col promoted by collagenase, pepsin  and trypsin ... 78

 

(22)

 

Figure 11. Type I collagen structure showing triple helical and non‐triple helical domains; Adapted from  Fan et al., 2012. ... 80

 

Figure 12. CD spectra of digested B‐ECM, P‐ECM and Col by collagenase, pepsin and trypsin ... 82

 

Figure  13.  TPEF‐SHG  showing  images  from  B‐ECM  (A‐C),  P‐ECM  (D‐F)  and  Col  (G‐I);  on  the  left,  autofluorescence  in  green  (A,  D,  G),  on  the  middle  SHG  in  red  (B,  E,  H),  on  the  right,  composed  images (C,F,I) ... 85

 

Figure 14. TPEF‐SHG showing images for B‐ECM digested by collagenase (A‐C), P‐ECM digested by pepsin  (D‐F) and P‐ECM digested by trypsin (G‐I); on the left, autofluorescence in green (A, D, G), on the  middle SHG in red (B, E, H), on the right composed images (C, F, I) ... 86

 

Figure 15. AB measurements (average ± standard deviation) for BMMSCs cultured with non‐osteogenic  medium supplemented with digested ECMs over 21 days (n=3) ... 94

 

Figure  16.  ALP  activity  normalized  by  metabolic  activity  of  BMMSCs  (average  ±  standard  deviation)  cultured with non‐osteogenic medium supplemented with digested ECMs on day 7, 14 and 21 (n=3)  ... 96

 

Figure 17. ARS for BMMSCs cultured with non‐osteogenic medium supplemented with digested ECMs on  day 14 ... 98

 

Figure  18.  ARS  for  BMMSCs  cultured  with  and  non‐osteogenic  medium  supplemented  with  digested  ECMs on day 21 ... 98

 

Figure 19. ARS quantification (average ± standard deviation) for BMMSCs cultured with non‐osteogenic  medium supplemented with digested ECMs on days 14 (left) and 21 (right) (n=3) ... 99

 

(23)

Figure  21.  ALP  activity  normalized  by  metabolic  activity  (average  ±  standard  deviation)  of  BMMSCs  cultured with osteogenic medium supplemented with digested ECMs on day 7, day 14 and day 21  (n=3) ... 104

 

Figure 22. ARS images for BMMSCs cultured with osteogenic medium supplemented with digested ECMs  on day 14 ... 106

 

Figure 23. ARS images for BMMSCs cultured with osteogenic medium supplemented with digested ECMs  on day 21 ... 106

 

Figure  24.  ARS  quantification  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  with  osteogenic  medium supplemented with digested ECMs on day 14 and day 21 (n=3) ... 108

 

Figure 25. SEM images from electrospun scaffolds (A) PLLA and (B) PLLA‐col 80:20; parameters: 5% (w/v) 

solutions in HFP, flow rate (2.0 mL.h‐1), applied voltage (25 kV), distance (18 cm), temperature (22  o

C) and humidity (<40%) ... 114

 

Figure  26.  SEM  images  from  electrospun  scaffolds  obtained  via  electrospinning  of  the  co‐solution  PLLA/digested  ECM  80:20  (w/w);  NCLK  scaffolds  (A)  PLLA/B‐ECM‐collagenase,  (B)  PLLA/B‐ECM‐ pepsin,  (C)  PLLA/B‐ECM‐trypsin,  (D)  PLLA/P‐ECM‐collagenase,  (E)  PLLA/P‐ECM‐pepsin,  (F)  PLLA/P‐

ECM‐trypsin. Parameters: 5% (w/v) solutions in HFP, flow rate (2.0 mL.h‐1), applied voltage (25 kV)  and distance (18 cm), temperature (22 oC) and humidity (<40%) ... 114

 

Figure 27. SEM Images from electrospun PLLA‐col scaffolds CLK with digested ECMs (A) PLLA‐col/B‐ECM‐ collagenase,  (B)  PLLA‐col/B‐ECM‐pepsin,  (C)  PLLA‐col/B‐ECM‐trypsin,  (D)  PLLA‐col/P‐ECM‐ collagenase,  (E)  PLLA‐col/P‐ECM‐pepsin,  (F)  PLLA‐col/P‐ECM‐trypsin;  parameters:  5%  (w/v) 

(24)

 

Figure 28. Protein released from the electrospun scaffolds over 21 days quantified by Micro BCA protein  assay (n=4). Control for NCLK scaffolds: PLLA; and control for CLK scaffolds: PLLA‐col ... 123

 

Figure  29.  TPEF‐SHG  images  for  control  samples  (A)  PLLA  and  (B)  PLLA‐col;  on  the  left,  in  green,  autofluorescence; on the middle, in red, SHG; and on the right composed images ... 124

 

Figure  30.  TPEF‐SHG  for  scaffolds  composed  by  B‐ECM‐collagenase  (A)  NCLK  (PLLA/B‐ECM‐collagenase)  and (B) CLK (PLLA‐col/B‐ECM‐collagenase); on the left, in green, autofluorescence; on the middle, in  red, SHG; and on the right composed images ... 126

 

Figure 31. TPEF‐SHG for scaffolds composed by B‐ECM‐pepsin (A) NCLK (PLLA/B‐ECM‐pepsin) and (B) CLK  (PLLA‐col/B‐ECM‐pepsin); on the left, in green, autofluorescence; in the middle, in red, SHG; and on  the right composed images ... 126

 

Figure 32. TPEF‐SHG for scaffolds composed by B‐ECM‐trypsin (A) NCLK (PLLA/B‐ECM‐trypsin) and (B) CLK  (PLLA‐col/B‐ECM‐trypsin); on the left, in green, autofluorescence; in the middle, in red, SHG; and on  the right composed images ... 127

 

Figure  33.  TPEF‐SHG  for  scaffolds  composed  by  P‐ECM‐collagenase  (A)  NCLK  (PLLA/P‐ECM‐collagenase)  and (B) CLK (PLLA‐col/P‐ECM‐collagenase); on the left, in green, autofluorescence; on the middle, in  red, SHG; and on the right composed images ... 127

 

Figure 34. TPEF‐SHG for scaffolds composed by P‐ECM‐pepsin (A) NCLK (PLLA/P‐ECM‐pepsin) and (B) CLK  (PLLA‐col/P‐ECM‐pepsin); on the left, in green, autofluorescence; in the middle, in red, SHG; and on  the right composed images ... 128

 

(25)

Figure  36.  Alive  (green)  and  dead  (red)  Staining  for  P‐ECM‐pepsin  electrospun  scaffolds  (A‐B)  NCLK  (PLLA/P‐ECM‐pepsin) and (C‐D) crosslinked (PLLA‐col/P‐ECM‐pepsin) ... 130

 

Figure 37. Cytotoxicity of the fragments released from NCKL and CLK scaffolds.  (A‐B) control – cells on  medium,  (C‐D)  cells  cultured  on  medium  containing  molecules  released  from  NCLK  scaffold  (PLLA/P‐ECM‐pepsin),  (E‐F)  cells  cultured  on  medium  containing  molecules  released  from  CLK  scaffold (PLLA‐col/P‐ECM‐pepsin) ... 131

 

Figure 38. Collagen functional binding domains are shown in four microfibrils modelling fibril surface and  their  availability  after  proteolysis.  Glycoprotein  VI  (GPVI),  C‐telopeptide  (C‐telo),  von  Willebrand's  Factor  (vWF),  small  leucine‐rich  proteoglycan  (SLRP),  Metalloproteinases  (MMPs),  peptide  sequences  (GFOGER,  GMOGER,  GASGER),  secreted  protein  acidic  and  cysteine‐rich  (sparc  also  known as osteonectin), imino rich repeat sequence (GPO)5, discoidin domain‐containing receptor 2  (DDR2). Adapted from Zeltz et al., 2014. ... 134

 

Figure 39. AB measurements (average ± standard deviation) to access BMMSCs attachment on NCLK and  CLK scaffolds composed by collagenase‐digested ECM (n=3) ... 135

 

Figure 40. AB measurements (average ± standard deviation) to access BMMSCs attachment on NCLK and  CLK scaffolds composed by pepsin‐digested ECM (n=3) ... 136

 

Figure 41. AB measurements (average ± standard deviation) to access BMMSCs attachment on NCLK and  CLK scaffolds composed by trypsin‐digested ECM (n=3) ... 136

 

Figure  42.  Metabolic  activity  (average  ±  standard  deviation)  of  BMMSCs  accessed  by  AB  assay  on  non‐ crosslinked and crosslinked scaffolds composed by collagenase digested ECM (n=3) ... 139

 

(26)

 

Figure  44.  Metabolic  activity  (average  ±  standard  deviation)  of  BMMSCs  accessed  by  AB  assay  on  non‐ crosslinked and crosslinked scaffolds composed by trypsin digested ECM (n=3) ... 141

 

Figure  45.  ALP  activity  normalized  by  AB  measurements  (average  ±  standard  deviation)  on  day  14  for  BMMSCs cultured on NCLK and CLK scaffolds composed by collagenase digested ECM (n=3) ... 144

 

Figure  46.  ALP  activity  normalized  by  AB  measurements  (average  ±  standard  deviation)  on  day  21  for  BMMSCs cultured NCLK and CLK scaffolds composed by collagenase digested ECM (n=3) ... 144

 

Figure  47.  ALP  activity  normalized  by  AB  measurements  (average  ±  standard  deviation)  on  day  14  for  BMMSCs cultured NCLK and CLK scaffolds composed by pepsin digested ECM (n=3) ... 145

 

Figure  48.  ALP  activity  normalized  by  AB  measurements  (average  ±  standard  deviation)  on  day  21  for  BMMSCs cultured on NCLK and CLK scaffolds composed by pepsin digested ECM (n=3) ... 145

 

Figure  49.  ALP  activity  normalized  by  AB  measurements  (average  ±  standard  deviation)  on  day  14  for  BMMSCs cultured NCLK and CLK scaffolds composed by trypsin digested ECM (n=3) ... 146

 

Figure  50.  ALP  activity  normalized  by  AB  measurements  (average  ±  standard  deviation)  on  day  21  for  BMMSCs cultured NCLK and CLK scaffolds composed by trypsin digested ECM (n=3) ... 146

 

Figure 51.  ARS quantification (average ± standard deviation) on day 14 (left column) and day 21 (right  column) for BMMSCs cultured on NCLK and CLK scaffolds composed by collagenase‐digested ECM  (n=3) ... 149

 

(27)

Figure  53.  ARS  quantification  (average  ±  standard  deviation)  on  day  14  (left  column)  and  day  21  (right  column) for BMMSCs cultured on NCLK and CLK scaffolds composed by trypsin‐digested ECM (n=3)  ... 150

 

Figure 54. ARS images for NCLK and CLK scaffolds on produced from B–ECM‐collagenase on day 14 and  day 21 ... 151

 

Figure 55. Histology from cross‐sections of NCLK and CLK (PLLA/P‐ECM) scaffolds cultured with BMMSCs  in the osteogenic medium for 21 days stained with alizarin red ... 153

 

Figure 56. Immunostaining on cross‐sections of electrospun scaffolds cultured with BMMSCs for 21 days.  On  the  left,  coloured  in  blue,  DAPI  marks  nuclei;  on  the  middle  primary  and  secondary  antibody,  coloured in green, marking the expression of human type I collagen; and on the right, the combined  image. ... 154

 

Figure  57.  Immunostaining  of  mouse  tissue  and  BMMSCs  cultured  PLLA‐ECM  scaffold  without  primary  antibody.  On  the  left,  coloured  in  blue,  DAPI  marks  nuclei;  on  the  middle  secondary  antibody,  coloured in green, marking non‐specific binding of the secondary antibody to the sample; and on  the right, the combined image. ... 155

 

Figure  58.  Immunostaining  of  mouse  tissue  with  primary  antibody.  On  the  left,  coloured  in  blue,  DAPI  marks  nuclei;  on  the  middle  primary  and  secondary  antibody,  coloured  in  green,  marking  non‐ specific type I collagen immunofluorescence; and on the right, the combined image. ... 156

 

(28)

 

Figure  60.  RunX2  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic  media  on  NCLK  and  CLK  scaffolds  produced  from  PLLA  and  collagenase‐digested  ECM  (n=3) ... 160

 

Figure  61.  Osx  (sp7)  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic  media  on  NCLK  and  CLK  scaffolds  produced  from  PLLA  and  collagenase‐digested  ECM  (n=3) ... 161

 

Figure  62.  Sparc  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic  media  on  NCLK  and  CLK  scaffolds  produced  from  PLLA  and  collagenase‐digested  ECM  (n=3) ... 161

 

Figure  63.  Col1a2  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic media on NCLK and CLK scaffolds produced from PLLA and collagenase‐digested ECMs  (n=3) ... 162

 

Figure  64.  Bglap  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic media on NCLK and CLK scaffolds produced from PLLA and pepsin‐digested ECM (n=3)  ... 165

 

Figure  65.  RunX2  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic media on NCLK and CLK scaffolds produced from PLLA and pepsin‐digested ECM (n=3)  ... 165

 

(29)

Figure  67.  Sparc  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic media on NCLK and CLK scaffolds produced from PLLA and pepsin‐digested ECM (n=3)  ... 166

 

Figure  68.  Col1a2  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic media on NCLK and CLK scaffolds produced from PLLA and pepsin‐digested ECM (n=3)  ... 167

 

Figure  69.  Bglap  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic media on NCLK and CLK scaffolds produced from PLLA and trypsin‐digested ECM (n=3)  ... 170

 

Figure  70.  RunX2  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic media on NCLK and CLK scaffolds produced from PLLA and trypsin‐digested ECM (n=3)  ... 170

 

Figure  71.  Osx  (sp7)  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic media on NCLK and CLK scaffolds produced from PLLA and trypsin‐digested ECM (n=3)  ... 171

 

Figure  72.  Sparc  expression  (average  ±  standard  deviation)  for  BMMSCs  cultured  for  21  days  with  osteogenic media on NCLK and CLK scaffolds produced from PLLA and trypsin‐digested ECM (n=3)  ... 171

 

(30)

 

Figure  74.  Raman  spectrum  from  demineralized  bone,  calvaria  bone,  PLLA  and  PLLA‐col  electrospun  scaffolds cultured with BMMSCs in osteogenic media during 21 days. Each spectrum represents one  xy area of 20 x24 points (480 scans), where each x and y point was 10 nm and 2.7 nm apart using a  785 nm laser. ... 174

 

 

   

(31)

List of Tables 

 

Table 1. Primers sequences for osteogenic markers ... 72

 

Table 2. Comparative protein quantification between Bradford and ninhydrin assays ... 77

 

Table 3. Data obtained from undigested B‐ECM and digested by collagenase, pepsin and trypsin TG/DTG  curves ... 88

 

Table  4.  Data  obtained  from  undigested  P‐ECM  digested  by  collagenase,  pepsin  and  trypsin  TG/DTG  curves ... 89

 

Table  5.  Data  obtained  from  Col  undigested  and  digested  by  collagenase,  pepsin  and  trypsin  TG/DTG  curves ... 89

 

Table 6. Data obtained from TG/DTG curves of NCLK scaffolds ... 118

 

Table 7. Data obtained from TG/DTG curves of CKL scaffolds ... 119

 

Table 8. Data obtained from DSC curves of NCKL and CKL electrospun PLLA/B‐ECM scaffolds ... 121

 

Table 9. Data obtained from DSC curves of NCLK and CLK electrospun PLLA/P‐ECM scaffolds ... 121

 

Table 10. Comparison of mineral matrix ratio and mineral crystallinity for controls ... 176

 

Table  11.  Comparison  of  mineral  matrix  ratio  and  mineral  crystallinity  for  NCLK  and  CLK  electrospun  scaffolds from B‐ECM ... 177

 

(32)

 

Table of Contents 

 

1  Introduction ... 32 

1.1  ECM composition and signalling ... 37 

1.2  ECM materials directing stem cell behaviour ... 44 

1.3  ECM proteolysis ... 47 

2  Objectives ... 51 

2.1  Specific objectives – Part 1 ... 51 

2.2  Specific objectives – Part 2 ... 52 

3  Experimental ... 54 

3.1  Materials ... 54 

3.2  ECMs digestion ... 55 

3.3  Characterization of digested ECMs ... 56  3.3.1  Bradford and Ninhydrin quantification ... 56  3.3.2  Quantification of glycosaminoglycans ... 57  3.3.3  Sodium dodecyl sulphate‐polyacrylamide gel electrophoresis (SDS‐PAGE) ... 57  3.3.4  Circular Dichroism (CD) ... 58 

3.4  Production of PLLA‐ECMs electrospun scaffolds ... 58  3.4.1  Electrospinning of PLLA ... 58  3.4.2  Electrospinning of the PLLA‐ECMs hybrid non‐crosslinked scaffolds ... 59  3.4.3  Production of crosslinked PLLA‐ECM scaffolds ... 59 

(33)

3.5.3  Thermogravimetric analysis (TGA) ... 61  3.5.4  Differential scanning calorimetry (DSC) ... 61  3.5.5  Two‐photon excited fluorescence microscopy combined with second harmonic generation  (Combined TPEF‐SHG microscopy) ... 62 

3.6  BMMSCs cultured on tissue culture plates – Part 1 ... 62  3.6.1  Alamar blue assay (AB) ... 63  3.6.2  Phosphatase alkaline activity (ALP) ... 64  3.6.3  Alizarin red staining (ARS) ... 64 

3.7  BMMSCs cultured on scaffolds – Part 2 ... 65  3.7.1  Alive and dead – cytotoxicity of released proteins from scaffolds ... 66  3.7.2  Alive and dead – scaffolds cytotoxicity ... 66  3.7.3  Alamar blue assay (AB) ... 67  3.7.4  Phosphatase alkaline activity (ALP) ... 67  3.7.5  Alizarin red staining (ARS) ... 67  3.7.6  Histology ... 68  3.7.7  Immunohistochemistry ... 68  3.7.8  Real‐time polymerase chain reaction (q‐PCR) ... 69  3.7.9  Micro‐Raman ... 72 

3.8  Statistical analysis ... 73 

4  Results and Discussion ‐ Part 1 ... 74 

4.1  Bradford, ninhydrin and GAGs quantification ... 74 

4.2  SDS‐page ... 79 

4.3  Circular dichroism (CD) ... 81 

4.4  Combined TPEF‐SHG microscopy ... 83 

(34)

 

4.6  Biological assays ... 91  4.6.1  BMMSCs cultured with non‐osteogenic medium supplemented with digested ECMs ... 91  4.6.2  BMMSCs cultured with osteogenic medium supplemented with digested ECMs ... 101 

5  Results and Discussion – Part 2 ... 110 

5.1  Production of electrospun PLLA‐ECM scaffolds ... 113 

5.2  Thermal analysis – TGA and DSC ... 116 

5.3  Protein Release from scaffolds ... 122 

5.4  Combined TPEF‐SHG microscopy ... 123 

5.5  Biological assays ... 129  5.5.1  Alive and dead assay – Scaffolds cytotoxicity ... 129  5.5.2  Alamar blue assay (AB) – BMMSCs attachment and metabolic activity ... 132  5.5.3  Alkaline phosphatase activity (ALP) ... 142  5.5.4  Alizarin red staining (ARS) ... 147  5.5.5  Histology ... 152  5.5.6  Immunohistochemistry ... 153  5.5.7  Real‐time polymerase chain reaction (q‐PCR) ... 156  5.5.8  Micro‐Raman ... 172 

6  Conclusions ... 178 

7  References ... 180 

8  ANNEXES ... 198 

(35)

 

1

Introduction 

 

Tissue  engineering  combines  life  sciences  and  materials  engineering  with  the  aim  to  restore,  maintain  or  improve tissue functions (Langer & Vacanti 1993). 

In order to regenerate tissues, 3 main strategies are employed: (1) Cell therapy treatments, (2) Development of  systems that carry tissue‐inducing substances, such as growth factors, to the target tissue and (3) Design of 3D  scaffolds,  acellular  or  with  seeded  cells,  that  allow  exchange  of  nutrients  and  the  integration  with  the  in  vivo  tissue (Haraguchi et al. 2012; Cancedda et al. 2003; Blackwood et al. 2012; O’Brien 2011). 

The  better  approach  to  design  a  biomaterial  requires  a  deep  understanding  of  the  tissue  that  has  to  be  regenerated, including its architecture, mechanical, chemical and physical properties and these properties are  linked to its composition and molecular structural organization conferred by the extracellular matrix (ECM) (Dvir  et al. 2011).  

The  ECM  is  a  tridimensional  array  of  protein  fibrils  and  fibres  interwoven  within  a  hydrated  network  of  glycosaminoglycan  chains.  It  is  composed  of  proteins  such  as  collagens,  which  are  the  major  components;  glycoproteins  such  as  elastin,  laminin  and  fibronectin;  proteoglycans,  glycosaminoglycans,  growth  factors,  chemokines and cytokines. These molecules are assembled to form  ECM‐complex, composed of proteins with  multiple  individually  folded  domains,  that  contain  biological  and  evolutionary  relevance,  as  shown  in  Figure  1  (Hynes 2009; Hynes & Naba 2012; Kim et al. 2011). 

(36)

  33   

Figure 1. ECM representation and signalling molecules that direct the cell fate. Adapted from Lutolf & Hubbell 2005) 

 

The  transduction  of  the  ECM  signalling  to  the  cells  occurs  via  two  different  binding  mechanisms:  (1)  direct  binding of the adhesion receptors on ECM domains, and (2) binding/release of growth factors (Hynes & Naba  2012).  

In  the  first  case,  the  ECM  adhesion  proteins,  such  as  fibronectin  and  laminin  bind  adhesion  receptors  on  the  cells,  such  as  integrins,  that  provide  transmembrane  links  to  the  actin  cytoskeleton.  Furthermore,  the  bound  enables  focal  adhesion  assembly  (Mitra  et  al.  2005)  and  (Tadokoro  et  al.  2003)  which  can  transmit/activate  signalling  cascades  within  the  cells  and  also  regulate  ECM  affinity  of  the  receptors  (called  the  inside‐out  signalling) (Geiger & Yamada 2011).  

(37)

proteoglycans  and  glycosaminoglycans  are  responsible  for  binding  the  growth  factors  on  the  ECM,  and  their  release  is  regulated  by  proteolysis  promoted  mainly  by  matrix  metalloproteases  (MMPs)  (Page‐McCaw  et  al.  2007; Cawston & Young 2010) and ADAMTS (Kumagishi et al. 2009; Kim et al. 2011). However, other families of  enzymes  such  as  heparanase,  elastases,  cathepsins  and  various  serine  esterase  protease  (Lu  et  al.  2011)  also  contribute to regulation of growth factor release.  

Although, ECM‐bound growth factor do not have to be released in soluble form to function (Kim et al. 2011), the  soluble factors can bind receptors on the cell membrane surface. These are integrated with signalling pathways  that  regulate  gene  expression  and  cell  fate  processes  such  as  proliferation,  survival,  differentiation,  migration  and apoptosis (Schaffer 2008) and (Discher et al. 2009). 

Integrins can activate several signalling pathways independently or in conjunction with growth factor receptors  while  functional  activities  of  growth  factor  receptors  are  controlled  by  integrins.  Thus,  growth  factors  require  specific integrins present on the particularly interested cell type (Alam et al. 2007). Although it is not clear how  this  synergy  happens,  It  is  known  that  there  is  a  crosstalk  between  integrins  and  growth  factors  signalling  transduction.  Nonetheless,  some  reports  suggest  that  domains  within  ECM  proteins  bind  to  canonical  growth  factors receptors (Alam et al. 2007; Engel 1989; Kim & Kim 2008).  

As is shown in Figure 2, the tissue characteristics are closely dependent on ECM and its cells. Furthermore, it has  modulated the morphological, physical and chemical properties of engineered scaffolds.  

(38)

  35   

Figure 2. Scaffolds produced to mimic the tissue environment;  Adapted from (Dvir et al. 2011): 1, (Kim et al. 2010): 2,  (Feng et al. 2009): 3, (Roohani‐Esfahani et al. 2010). 

 

The ECM rich composition and perfect architecture brought to the tissue engineering field the possibility of its  use as an acellular scaffold (Eitan et al. 2010). However, the decellularization is a key step for this application  and involves the cell membrane rupture and subsequently washes. The cell lysis can be promoted by chemical  agents (i.e. surfactants, acids and bases), by physical agents (i.e. heating/thawing cycles, ultrasound, pressure),  or  by  biological  agents  (i.e.  enzymes  such  as  nucleases  and  trypsin)  (Crapo  et  al.  2011).  Thus,  for  decellularization,  it  is  necessary  to  remove  completely  the  DNA  from  the  host  tissue  to  prevent  immune  responses when implanted. In addition, the decellularization should attempt to keep most of the chemical and  physical properties from the native ECM.  

1) 

2) 

3) 

(39)

Although some decellularized ECMs are commercially available (Crapo et al. 2011), they are mainly restricted to  skin,  pericardium  and  small  intestinal  submucosa  tissues.  Nonetheless,  there  are  reports  regarding  the  decellularization process of many other tissues to obtain the acellular extracellular matrix (Gilbert et al. 2006). 

The  main  issues  related  to  the  use  of  acellular  scaffolds  are:  (1)  variations  from  batch  to  batch  and  scale‐up  difficulties  (Lanza  et  al.  2011),  (2)  susceptibility  to  enzymatic  hydrolysis  and  consequently  loss  of  mechanical  strength during its degradation, so (3) collagen crosslink could prevent its degradation and loss of mechanical  properties but crosslinking agents can induce an immune response (Parenteau‐Bareil et al. 2010). 

Besides their use as acellular scaffold, the decellularized extracellular matrices have been used as components  of artificial ECMs, which are basically hybrid materials that combine the advantages of the biomacromolecules  present in the ECM to a synthetic polymer. Therefore, the final properties such as porosity, time of degradation,  stiffness, free surface energy can be tailored in order to enhance the cell response.  

To  avoid  the  disadvantages  of  the  acellular  scaffolds  and  still  deliver  the  benefits  from  the  rich  gross  composition  of  the  ECMs  on  biomaterials  for  tissue  engineering,  the  first  step  required  is  its  solubilisation,   whereby the highly organized structure is submitted to enzymatic digestion. Thus, the proteolytic degradation  of  the  ECM  makes  possible  the  incorporation  of  its  major  components  into  biomaterials,  such  as  hydrogel  or  polymer/ECM hybrid materials (Badylak et al. 2009). 

Although  there  are  a  high  number  of  published  research  articles  involving  the  digestion  and  incorporation  of  ECMs to produce biomaterials, very few try to understand the importance of the enzymatic digestion step for  the final cell response (Hinderer et al. 2016; Reing et al. 2009). 

(40)

  37   

1.1

ECM composition and signalling 

 

ECM consists of secreted molecules that are immobilized outside the cells that are responsible for tissue‐type  specific  extracellular  architecture,  tissue  maintenance  and  regulation  (Mouw  et  al.,  2014).  ECM  exists  as  an  integrated network structure composed of collagens, proteoglycans, glycosaminoglycans, glycoproteins, growth  factors, cytokines and cell adhesion molecules (Mouw et al., 2014). These molecules consist of many individual  domains  that  when  combined  with  different  arrangements,  composition  and  abundance  direct  to  different  ECM‐tissue cell microenvironment (Muow et al., 2014). 

The  ECM  is  primarily  composed  of  two  main  classes  of  macromolecules:  fibrous  proteins  (including  collagens  and elastin) and glycoproteins (including fibronectin, proteoglycans (PGs) and laminin) (Mouw et al. 2014). 

Collagen is a large family of proteins composed of 28 different collagen types, and is the major component of  the ECMs. In general, collagens are regarded as triple helical proteins that have functions in tissue assembly or  maintenance,  including  tissue  scaffolding,  cell  adhesion,  cell  migration,  cancer,  angiogenesis,  tissue  morphogenesis and tissue repair (Kadler et al. 2007).  

(41)

The  triple  helix  structure  is  stabilized  by  intrachain  and  interchain  hydrogen  bonds  between  the  polypeptides  chains as shown in Figure 3. Stabilization promoted by interchain hydrogen bonds, involve glycine amide groups  and carboxyl groups on the X position (Figure 3a). In addition, they involve Inductive effects promoted by the  hydroxyl group in the 4‐hydroxyproline (Y position), that enhance the triple helix stabilization by favouring the  trans  conformation  of  the  hydroxyprolyl  peptide  bond  (Figure  3b).  Gauche  conformation  is  achieved  if  pyrrolidine ring, in the X position,  is puckering down (Cγ endo‐pucker) while pyrrolidine ring, in the Y position, is  puckering up (Cγ exo‐pucker), as shown in Figure 3c (Hunter 2010; Bann & Bachinger 2000).   Moreover, each  alpha‐helix  chain  is  stabilized  by  intrachain  hydrogen  bonds,  where  all  the  N‐H  and  C=O  groups  are  involved  (Pauling et al. 1951; Hunter 2010).

   

Figure 3. Collagen triple helix stabilization; Adapted from Hunter 2010 

 

(42)

  39  Triple  helical  collagens  can  assemble  into  fibrils  that  confer  the  tensile  strength  in  animal  tissues.  The  unique  mechanical  properties  of  fibrillar  collagens  are  mainly  controlled  by  its  structure;  furthermore,  it  reflects  the  intrinsic relationship between three‐dimensional protein structure and the function of the resultant ECM (Fratzl  et al. 1998). Nonetheless, not all the collagens are fibril‐forming (i.e. collagen I). Collagens can also be classified  as fibril‐associated collagens with interrupted triple helix (FACITs) (i.e. collagen IX), or network‐forming collagens  (i. e. collagen IV) or transmembrane collagens (i.e. collagen XIII) (Kadler et al. 2007). 

Fibrillar  collagen  formation  starts  when  α‐chains  that  contain  N‐  and  C‐propeptides  at  the  end  of  the  triple  helical domains are imported into the rough endoplasmatic reticulum. Subsequently, lysine and proline residues  are  modified  by  hydroxylation  and O‐linked  glycosylation  (Kadler  et  al.  2007;  Mouw  et  al.  2014),  followed  by  association of α‐chains to form procollagen initiated by the C‐propeptide domains.  

Procollagen is packed in the Golgi complex and secreted into the ECM. The cleavage of C‐propeptide domains by  the enzymatic action of MMPs is required for fibrillogenesis. However, N‐propeptide domains are cleaved just  on the necessary extension to promote the fibril shape and diameter (Hulmes 2002) as shown in Figure 4a.  

Type  I  collagen  has  C‐propeptide  and  N‐propeptide  completely  removed  forming  tropocollagen  which  is  arranged  to  form  microfibrils  with  an  axial  D‐periodicity  of  approximately  67  nm.  The  assembly  of  the  microfibrils into fibrils is mediated by aldol and aldol‐histidine crosslinking within and between microfibrils and  provides an additional stability and tensile strength to the collagen fibrils, as shown in Figure 4b.  

Aldol  crosslinking  involves  aldehydes  and  amino  groups  on  lysine,  while  aldol‐histidine  crosslinking,  involves  a  trifunctionality  crosslinking  derived  from  Michael  addition  of  a  histidine  residue  to  the  aldol.  Fibril‐associated  collagens  with  interrupted  triple  helix  (FACIT)  and  small  leucine‐rich  repeat  proteoglycans  (SLRPs)  form  a  connective  tissue  within  the  fibrils  are  bundled  together  to  form  collagen  fibers,  which  are  tissue‐age‐stage  specific (Mouw et al. 2014; Siegel 1976; Fairweather et al. 1972). 

(43)

 

Figure 4. Collagen fibrillogenesis reproduced from Klug and Cummings, 1997 

(44)

  41  As described previously, fibrillogenesis is a process that starts inside the cell and ends in the extracellular space,  furthermore  a  series  of  ECM  components  such  as  proteolytic  enzymes  (i.e.  MMPs),  proteoglycans  (i.e.  SLRPs),  and crosslinking enzymes (i.e. lysyl oxidase) are involved. In turn, collagen fibres provide binding sites for other  ECM components (Mouw et al. 2014).  

Carbohydrate  can  be  covalently  attached  to  proteins  to  form  glycoproteins  and  proteoglycans;  the  biggest  difference  between  them  relies  on  the  fact  that  carbohydrate  percentage  on  the  macromolecule  is  much  smaller on glycoprotein than on the proteoglycan.  

Proteoglycans  decorate  cell  membrane  to  bind  ECM  components  such  as  growth  factors,  enzymes,  protease  inhibitors and chemokines to play a role in signal transduction. In addition to this, fill the extracellular space to  provide a hydrated gel (Berg et al. 2002; Perrimon & Bernfield 2001; Bishop et al. 2007). 

Proteoglycans  consist  of  a  core  protein  where  one  or  more  glycosaminoglycans  (GAGs)  are  attached  to  the  various  serine  residues.  Proteoglycans  properties  are  dominated  by  GAGs  chemical  properties,  thus,  an  important agent that provides a hydrated gel that resists compressive forces (Gandhi & Mancera 2008). 

GAGs on proteoglycans work as a docking station providing the interactions necessary for proteoglycan binding  functions  on  the  ECM.  GAGs‐protein  interactions  can  involve  Van  Der  Walls,  hydrogen  bonds,  carbohydrate  backbone  and  ionic  interactions.  However,  binding  affinity  results  mainly  from  the  ionic  interaction  of  highly  acidic sites on the GAG and basic amino acid side chains Asn, Asp, Glu, Gln, Arg, His and Trp(Malik & Ahmad  2007; Shionyu‐Mitsuyama et al. 2003; Taroni et al. 2000). 

(45)

 

Figure 5. GAGs disaccharide units and features; Adapted from Gandhi and Mancera, 2008 

 

Glycoproteins are cell membrane components that play a key role in cell adhesion. Glycoproteins are classified  as N‐linked, whereas the carbohydrate is attached to the amide side chain of an asparagine residue in the Asn‐X‐ Ser or Asn‐X‐Thr sequence; or O‐linked, whereas the carbohydrate is linked to the hydroxyl group of a Ser or Thr  residue, in addition O‐glycosylation can appear on amino acid sequences (Wang & Amin 2014). 

(46)

  43  Laminin  and  fibronectin  are  multidomain  glycoproteins  that  play  an  important  role  connecting  the  structural  ECM network to the cells. Nonetheless, they also can bind to other ECM molecules, growth factors or soluble  molecules (Mecham 2012). 

Laminins  are  a  family  of  large  mosaic  glycoproteins  (~900  KDa)  composed  of  globular,  laminin‐type  epidermal  growth  factor  (EGF)‐like  repeats  and  coil‐coiled  domains  (Mouw  et  al.  2014).  Laminins  are  heterotrimers  composed of α, β and γ chains, which are characterized by the presence of different domains, that combine via  the triple helical coiled‐coil domain in the centre of each chain to form cross‐shaped, Y‐shaped or rod‐shaped  laminins. (Aumailley et al. 2005; Miner & Yurchenco 2004).  

Laminins are required for basement membrane assembly and cell polarization, however, the differences in the  way  that  isoforms  combine,  determinate  laminin  heterotrimers  spatial  shape,  cell‐anchoring  properties  its  interaction with other basement membrane components (Mecham 2012; Li et al. 2003).  

Fibronectins  (FNs)  are  cell‐secreted  glycoproteins  that  contain  4‐9%  carbohydrate  and  exist  as  a  dimer  of  two  similar chains (~250 KDa) linked by disulphide bonds at C‐terminal region (Singh et al. 2010). Fibronectin has the  ability of binding many of the extracellular matrix components and to Interact with cells because it has multiple  binding domains to attach to integrins, collagen, gelatine, glycosaminoglycans, fibrins and integrins (Singh et al.  2010; Hynes 1999). Thus, fibronectin mediates a wide variety of functional activities playing important roles in  cell adhesion, migration, growth and differentiation (Schwarzbauer & DeSimone 2011). Furthermore, fibronectin  contains RGD sequence, well known for being a motif for cell adhesion. 

(47)

Other  important  molecules  on  the  ECM  environment  are  growth  factors;  these  polypeptides  can  bind  to  integrins,  activating  cell  signalling  and  transcription  factors  to  regulate  growth,  differentiation  and  apoptosis.  Growth  factors  are  found  in  the  extracellular  space  in  its  soluble  form  or  bound  to  GAGs  on  proteoglycans.  Growth factors can be released from ECM, by degradation of ECM proteoglycans that enable the establishment  of a stable gradient of growth factors in the extracellular matrix (Hynes 2009; Canalis et al. 1991). 

 

1.2

ECM materials directing stem cell behaviour 

Tissues are constantly remodeled in a dynamic interaction between the cell niche and the extracellular matrix.  Furthermore, the ECM must provide the structure and biochemical signaling required by the cells for the tissue  function  (Badylak  2002).  Decellularized  materials  have  been  researched  due  to  this  specific  cell‐ECM  microenviroment that is believed to conduct tissue regeneration because of their ability to direct the stem cell  differentiation.  

The  biggest  challenge  in  the  use  of  decellularized  tissues  to  produce  biomaterials  is  the  decellularization  method.  Differences  in  the  cell  density  and  morphology  for  each  tissue  make  it  necessary  that  each  tissue  requires an adapted protocol (Keane et al. 2015). 

The potential for decellularized tissues, also known as decellularized ECM, as biomaterials, range from their use  as an intact whole organ, sections or blocks (Agmon and Chistman 2016). In addition, if the decellularized ECM is  digested,  materials  for  cell  and/or  drug  delivery,  hydrogels,  coatings,  electrospun  scaffolds  or  printing/bioprinting scaffolds can be designed for different goals and benefits (Hinderer et al. 2016). 

(48)

  45  maintenance of the organ architecture and vasculature which is important for large implants.  Nevertheless, it  needs to be extensively explored to understand clinical success, such as in trachea transplants (Gonfiotti et al.  2014), and failure such as in heart valves transplant (Simon et al. 2003). 

ECM  hydrogels  aims  the  regeneration  of  the  tissue  via  injectable  biomaterials  into  injury  site  (Agmon  and  Chistman 2016). There are different strategies employed in this approach that range from the ECM as the only  component  or  with  other  components.  The  use  of  crosslinking  agents  and  the  variations  on  the  composition  allows  obtaining  hydrogels  with  different  degrees  of  stiffness  that  can  direct  stem  cell  differentiation  through  mechanotransduction (Agmon and Chistman 2016). In addition, degradation times and adhesion‐ligand sites for  cells can be tailored (Murphy et al. 2014; Agmon and Chistman 2016). These ECM hydrogels have been explored  as scaffolds or as drug and/or cell carriers to the injury site (Hinderer et al. 2016). 

Digested  ECMs  can  also  be  used  for  coatings  providing  the  biochemical  cues  to  direct  differentiation.  In  this  case,  the  molecules  that  are  physically  absorbed  on  the  surface  promote  the  enrichment  of  the  surface.  The  disadvantage  of  this  approach  relies  on  the  fact  that  the  biomaterial  does  not  maintain  the  tissue  native  architecture (Agmon and Chistman 2016; Hinderer et al. 2016). 

Scaffolds composed by ECM can be produced via the electrospinning technique. The electrospinning technique  generates  3D  fibrous  and  highly  porous  scaffolds  that  have  been  widely  explored.  Fiber  diameter,  porosity,  degradation  time,  stiffness  and  hydrophylic/hydrophobic  are  properties  that  can  be  controlled  to  achieve  the  tissue regeneration through allowing cell attachment, proliferation and differentiation.  

(49)

a fibrous mesh is generated on the collector (Hinderer et al. 2016).  

Regardless of the technique used to process the decellularized tissues into biomaterials, the biggest challenge is  understanding how the stem cell behavior is affected by differences on the matrix. However, it is important to  highlight that apart from donor age and health, processing procedures can also be very relevant to the success  or  failure  of  the  ECM  biomaterial.  Moreover,  Rajabi‐Zeleti  and  co‐workers  were  able  to  demonstrate  that  lyophilized  hydrogels  from  human  pericardium  had  the  interconnectivity  of  the  pores  increased  and  that  resulted in improved cell migration (Rajabi‐Zeleti et al. 2014). 

Some  studies  were  able  to  verify  that  lung  ECM  used  to  supplement  media  could  not  initiate  specific  differentiation of MSCs but could enhance differentiation (Daly et al. 2012; Shojaie et al. 2015). Other research  was able to demonstrate that certain tissues, such as kidney, have region specific effect on metabolic activity,  proliferation and differentiation (O’Neill et al. 2013). 

Neural  differentiation  was  observed  when  solubilized  ECMs  from  optic  nerve,  spinal  cord,  brain  and  urinary  bladder were incorporated into culture media. However, it was not possible to confirm that in order to achieve  this a tissue specific matrix is necessary. Thus suggesting that the effect of solubilized ECMs could be masked by  the use of differentiation media (Crapo et al. 2012).  

Interestingly,  heart,  liver  and  adipose  tissue  ECMs  were  able  to  direct  differentiation  on  standard  media   (Cheung  et  al.  2014;  French  et  al.  2012;  Zhang  et  al.  2015).  It  is  not  clearly  understood  what  causes  these  differences,  but  some  possibilities  are  the  specific  tissue  microarchitecture,  variations  in  the  decellularization  process  or  that  some  stem  cells  require  less  specific  biochemical  cues  to  differentiate  in  a  specific  lineage  (Agmon and Chistman 2016).  

Referências

Documentos relacionados

The effect of JJYMD-C on synthesis of ECM by chondrocytes was further investigated through gene expression of collagens I, II, and X, Sox9, and aggrecan (a proteoglycan composed

The results showed that the effects of urolithin A on the expression of let-7a were abolished by Lin28a transfection (Figure 2D), indicating that urolithin A increased the expression

A intensidade e persistência dos sintomas surge se no passado de forma semelhante a mulher passou por acontecimentos traumáticos (de perda, como a morte da mãe), e se a forma de

“Regarding the massages, it already happened places only have availability at the end of the month, and it also happened telling me that I don‟t need to book anything through MyGon

Based on the results of ANOVA on collagen 1 after 7 and 30 days, there were significant differences in the expression of collagen 1 between the control group and the

A sabedoria de amor de Thich Nhat Hanh, tal como todo o budismo em geral, visa a prática de forma a integrar todos estes conceitos na mente, mas tem, como fundamento

Consistent with the data observed in PBMCs, IHC data showed trends of reduced expression of HDAC4 (Figure 4A) and increased expression of TSP1 (Figure 4B) in obese compared to

Comparison of expression among groups revealed that under non-stimulated conditions individuals without periodontitis (CG) showed the highest expression of lactoferrin (Figure 2B)