Extracellular Matrix: A Cardiac Regenerative Niche

Abstract

The cardiac extracellular matrix (ECM) is a three dimensional (3-D) structure constituted by different families of proteins of structural and cell regulatory nature. The latter translate critical functional information and undertake highly specific roles that provide for the cells/tissue homeostasis. In order for the tissues and organs to be formed, the ECM undergoes dramatic changes throughout development. Moreover, it is further engaged in tissue remodeling under pathological conditions. Thus, the ECM is a dynamic unity that is simultaneously a physical fraction and a regulatory agent of the microenvironment. In the heart, the ECM undergoes profound changes in response to injury. Whereas in the adult stages the heart develops non-functional scar tissue after wounding with subsequent dysrhythmias eventually leading to heart failure, a regeneration-like pattern was recently described for the fetal/neonatal organ. An increasing number of patients with heart disorders in western countries and the poor availability of the hearts for transplantation are driving the researchers‟ and medical communities towards the development of novel therapies to restore the function of the damage myocardium. In recent years, decellularized native ECM has been proposed as a basis in tissue engineering applications for regenerative medicine. This was already successfully illustrated not only in preclinical studies but also in other organs clinical application. In accordance with the above described observation that the capacity for cardiac tissue healing differs throughout the mammal‟s ontogeny we have initiated a pioneering study to identify the regenerative-potential information contained in the fetal (E18) cardiac ECM as allegedly opposed to the adult matrix. The ultimate goal is to dissect how different ontogenic-specific ECM components could improve adult heart regeneration after injury. Full elucidation of the capacity of this dynamic structure, i.e. the cardiac ECM, to change and meet distinct physiologic and pathological conditions during the heart‟ lifespan will bring out the knowledge critical for creating effective and patients safe natural cardiac scaffolds for clinical applications. In the herein work it was implemented for the first time an efficient protocol for parallel decellularization of the fetal and the adult heart tissue, with preserved structure and minimal loss of the ECM contents. Preliminary biochemical and physical characterization of the fetal- and adult- derived ECM was initiated demonstrating the achievement of porous bioscaffolds that keep key ECM elements of the basal lamina, such as laminin, fibronectin and type IV collagen. The biocompatibility studies performed in in vitro culture by using a cardiac progenitor cell line demonstrated that fetal (E18) decellularized matrices induced more cell migration and adhesion when compared to the adult counterpart. Studies are underway to further assess the biochemical composition of the recellularized matrices and the cells phenotype.

A matriz extracelular (ECM) cardíaca é uma rede tridimensional constituída por diferentes moléculas com funções estruturais, sinalização e acções preponderantes na homeostasia celular e tecidular. Adicionalmente a ECM possui um papel activo no desenvolvimento e na remodelação do tecido em condições patológicas. Após enfarte do miocárdio a ECM sofre alterações profundas na sua estrutura e composição. No entanto, no coração adulto este processo resulta na formação de uma cicatriz não funcional contrariamente ao coração fetal/neonatal no qual há restabelecimento da estrutura tecidular nativa e subsequentemente da função do órgão. O aumento de pessoas afectadas por doenças cardiovasculares e o número reduzido de corações disponíveis para transplante serve de estímulo para a investigação de novas terapias que permitam a recuperação funcional do miocárdio após lesão. Na última década, a aplicação de matrizes descelularizadas em estudos pre-clínicos e clínicos de engenharia de tecidos demonstrou resultados muito promissores na recuperação de diferentes tecidos após lesão. Assim iniciamos um estudo pioneiro utilizando matrizes descelularizadas de coração fetal (E18) e de adulto de forma a clarificar como alterações na ECM durante a ontogenia do coração se relacionam com a regeneração cardíaca (fetal), ou com a formação de tecido cicatricial (adulto) após lesão do miocárdio. O principal objectivo é dissecar como diferentes componentes específicos da ECM podem promover a regeneração do coração adulto. Adicionalmente, esta abordagem irá permitir a criação de matrizes cardíacas naturais para avaliação pré-clínica em modelos experimentais de enfarte do miocárdio. O presente trabalho descreve pela primeira vez a implementação paralela de um protocolo de descelularização para tecido cardíaco fetal (E18) e adulto com preservação da composição e estrutura da ECM nativa. A caracterização física e bioquímica preliminar das matrizes descelularizadas demonstrou que estas apresentam uma estrutura porosa com manutenção da vasculatura e de importantes elementos da membrana basal, nomeadamente, a laminina, fibronectina e colagénio tipo IV. Estudos de biocompatibilidade utilizando iCPCSca-1, uma linha celular modelo de progenitores cardíacos, demonstraram que as matrizes descelularizadas fetais promovem uma maior migração e adesão celular em comparação com o tecido adulto. Outras experiências estão agora a ser completadas com o objectivo de caracterizar a composição bioquímica das matrizes recelularizadas assim como o fenótipo das células.