Exploring cell sources and magnetic stimuli as tools for advancing tendon tissue engineering strategies

Abstract

Tendinopathy is a broad medical term to define pathology and dysfunction of tendons, including tendon rupture and chronic pain. The incidence of tendinopathies accounts for 50% of all musculoskeletal injuries and is increasing with the emergent worldwide prevalence of an increasingly active and ageing population. Tendinopathy pathophysiologies hinder the healing of tendons which rapidly evolve into chronic disorders. Current therapies focus on the surgical interventions using auto or allografts that can lead to infection, chronic pain in the harvest site, as well as donor site morbidity and are limited in restoring tendon functionality. Hence, there is an urgent need to find alternatives for an effective tendon regeneration. In this thesis, we investigated the remarkable capacity of stem cell based regenerative medicine approaches as potential therapeutic tools combined with growth factors or combined with scaffold matrices prospecting tendon regeneration as opposed to simple tissue repair. The involvement of these approaches together with biochemical and magnetic tools were studied to target and direct tenogenic differentiation in order to assist de novo formation of tendon tissue toward improved tendon therapies. This was investigated following different strategies: search for ameliorated stem cell sources more prone to tenogenic commitment (Chapters 5 and 6) and search for a suitable tenogenic medium (Chapter 5) to induce stem cell differentiation towards tenogenic phenotype. The capacity of more complex architectures to stimulate tenogenic responses were explored in magnetic cell sheets (Chapter 7) and magnetic scaffolds (Chapter 8) to directly influence human adipose stem cells (hASCs). Finally, hASCs tenogenesis was triggered through mechanotransduction mechanisms via stem cell receptors activation (Chapter 9). The results obtained provided insights on the morphological, biological and biophysical mechanisms that are pivotal in engineering cellular constructs towards tenogenic commitment. Furthermore, the search for cell populations and 3D matrices, as part of an integrated approach that targets tendon injury management, represent a promising approach to positively impact future tendon tissue engineering therapies, which seems to be determinant for tendon treatments that would fully restore tendon to its pre-injured state.

Tendinopatia é um amplo termo médico para definir a patologia e disfunção de tendões, incluindo a rutura e a dor crónica. A incidência de tendinopatias representa 50% das lesões músculo-esqueléticas e está a aumentar com a prevalência mundial emergente de uma população cada vez mais ativa e envelhecida. As fisiopatologias tendinopáticas impedem a cicatrização dos tendões, evoluindo rapidamente para distúrbios crónicos. As terapias atuais centram-se nas intervenções cirúrgicas usando auto ou aloenxertos que podem levar a infeção, dor crónica no local da recolha, bem como a morbidade do tecido dador, e são limitadas na restauração da funcionalidade dos tendões. Portanto, é necessário encontrar alternativas para uma regeneração efetiva dos tendões. Nesta tese, investigamos a capacidade de abordagens regenerativas baseadas em células estaminais como possíveis ferramentas terapêuticas combinadas com fatores de crescimento ou combinadas com matrizes de suporte perspetivando a regeneração em alternativa à simples reparação do tecido. O envolvimento dessas abordagens juntamente com ferramentas bioquímicas e magnéticas foi estudado para direcionar a diferenciação tenogénica a fim de auxiliar a formação de tecido novo com vista ao melhoramento de terapias tendinosas. Isto foi investigado seguindo diferentes estratégias: procura de fontes celulares estaminais mais propensas ao compromisso tenogénico (Capitulos 5 e 6); procura de um meio tenogénico adequado (Capítulo 5) para induzir diferenciação de células estaminais em direção ao fenótipo tenogénico. A capacidade de arquiteturas mais complexas para estimular uma resposta tenogénica foi explorada em matrizes celulares magnéticas (Capítulo 7) e suportes 3D magnéticos (Capítulo 8) de modo a influenciar diretamente células estaminais adiposas humanas (hASCs). Finalmente, a diferenciação tenogénica de hASCs foi estudada através de mecanismos de mecanotransdução por ativação de receptores de células estaminais (Capítulo 9). Os resultados obtidos forneceram informações sobre os mecanismos morfológicos, biológicos e biofísicos, os quais são fundamentais no desenvolvimento de matrizes celulares para o compromisso tenogénico. Além disso, a busca por populações de células e matrizes 3D, como parte de uma abordagem integrada que visa a manutenção de lesões no tendão, representa uma abordagem promissora para influenciar positivamente as terapias futuras de engenharia de tecidos do tendão, sendo determinante para tratamentos que restaurariam o tecido ao estado de pré-lesão.