Magnetic actuation and magnetic responsive materials to modulate inflammation and their impact in cell behavior for tendon regeneration

Abstract

Tendon pathologies are a significant cause for disability in an increasingly active and ageing population. There is a substantial gap on the understanding of molecular and cellular responses leading to the onset and evolution of tendinopathic conditions but growing evidence suggests that persistent inflammatory events play a key role and may contribute to either triggering tendon injuries and/or prevent regenerative processes. Therefore, inflammatory events are can be the ultimate target for assisting new therapeutic strategies. In this thesis, we investigated magnetic stimuli applying pulsed electromagnetic field (PEMF) in combination with magnetically responsive materials using complementary cell based approaches for guiding and stimulating tendon regeneration through modulation of the inflammatory response. We firstly explored the signature features of tendon- and ligament- derived cells as endogenous living agents with predictive tenogenic behavior, and the influence of cryopreservation on their functional behavior (Chapter IV). Subsequently, (Chapter V), we selected IL-1b, a powerful pro-inflammatory mediator, to artificially induce an inflammatory profile in human tendon-derived cells (hTDCs) in culture. With these studies, we established the exogenous supplementation of IL-1b as an in vitro inflammation model for tendon tissue which was used in further studies to assess PEMF role in controlling the inflammatory response of hTDCs (Chapter V), envisioning the design of non-invasive and remote-actuated systems to modulate pathophysiological responses. Macrophages have a pivotal role in healing and in the orchestration of the inflammation process. As macrophage communication with hTDCs may provide insights in tendon repair mechanisms, co-cultures of IL-1b-treated-hTDCs and macrophages were further investigated in Chapter VI. Taking advantage of a potential synergistic effect of PEMF action over magnetic nanoparticles, the response of IL-1b-treated-hTDCs was further assessed in different magnetic based strategies envisioning translational approaches. These included magnetic cell sheet constructions (Chapter VII), which provide more complex and dynamic cell to cell and cell-matrix interactions, and magnetic responsive polymeric membranes (Chapter VIII) to externally trigger and guide tendon derived cell responses. The achievements from this Thesis support the emergent role of magnetic based strategies in general and of PEMF in particular, in the modulation of tendon cell responses, antagonizing the effect of inflammatory mediators and consequently, stimulating tendon regeneration.

As patologias de tendão constituem uma causa significativa de incapacidade numa população cada vez mais ativa e envelhecida. Há uma lacuna substancial na compreensão das respostas moleculares e celulares que despoletam e/ou permitem a evolução das condições tendinopáticas, embora estudos recentes sugiram que a presença de eventos inflamatórios persistentes contribua para o avanço das lesões tendinosas e, portanto, podem auxiliar em novas estratégias terapêuticas. Nesta tese, investigamos a influência de estímulos magnéticos na resposta celular, aplicando um campo eletromagnético pulsado (CEMP) ou um CEMP combinado com materiais magneticamente responsivos usando abordagens baseadas em células estaminais para orientar e estimular a reparação do tendão. Explorámos inicialmente as características das células derivadas de tendões e ligamentos como agentes endógenos com comportamento tenogénico preditivo e a influência da criopreservação na manutenção do seu fenótipo no Capítulo IV. Em seguida, no Capítulo V, selecionamos um mediador pro inflamatório, IL-1b para induzir um perfil inflamatório, in vitro, em células derivadas de tendão humano (hCDTs). Estabelecemos a suplementação exógena de IL-1b como um modelo de inflamação in vitro para abordagens de tendão que foi posteriormente usado para avaliar o papel do CEMP no controlo da resposta inflamatória de hCDTs (Capítulo V), prevendo a utilização de métodos não invasivos e sistemas remotamente ativados para modular as respostas fisiopatológicas. Os macrófagos têm um papel fundamental na cicatrização e na orquestração do processo inflamatório. A comunicação de macrófagos com hCDTs pode fornecer informações sobre os mecanismos de reparação do tendão, pelo que co culturas de hCDTs tratadas com IL-1b e macrófagos foram investigadas no Capítulo VI. Tirando vantagem de um efeito combinado do CEMP sobre nanopartículas magnéticas, a resposta de hCDTs tratadas com IL-1b foi ainda avaliada baseada em diferentes estratégias magnéticas que preveem abordagens translacionais. Estes incluíram matrizes celulares magnéticas (Capítulo VII), que fornecem interações célula-célula e célula-matriz mais complexas, e membranas poliméricas magnéticas (Capítulo VIII) para guiar as repostas celulares de células derivadas de tendão. Os resultados desta tese fornecem informações sobre o papel emergente das estratégias magnéticas em geral e do CEMP em particular, na modulação das respostas celulares do tendão, antagonizando o efeito dos mediadores inflamatórios e, consequentemente, estimulando a regeneração do tendão.