Human blood-derived extracellular vesicles in tendon tissue engineering and regenerative medicine applications

Abstract

Tendon disorders, a major healthcare and socioeconomic burden worldwide, are often challenging to solve due to the tendons limited regenerative capacity. The main therapies currently used do not tackle the etiology of tendon injuries and therefore, there is an urgent need for alternative approaches that can effectively repair and regenerate tendons. Recently, extracellular vesicles (EVs) have gained increased attention due to their pivotal role in intercellular communication and ability to transfer bioactive molecules among cells, emerging as the next breakthrough in tissue engineering and regenerative medicine to promote endogenous tissue regeneration. This thesis focused on the development of different therapeutic strategies based on Human blood-derived EVs as biochemical cues to promote tendon tissue repair. Blood-derived EVs were obtained from platelets (Chapter IV) and monocyte-derived macrophages (Chapter V), and their morphology, size, and protein content were thoroughly assessed. Taking advantage of EVs bioactive content, their impact on human tendon-derived cells (hTDCs) behavior (Chapter VI) and inflammatory response (Chapter V) was investigated. Subsequently, a 3D bioengineered in vitro tendon model relying on hierarchically assembled yarns coated with collagen hydrogels encapsulating human adipose-derived stem cells (hASCs) was developed to shed light on the effect of EVs on stem cell tenogenic commitment (Chapter VII). Moreover, the regenerative potential of EVs was explored using a disease-like tendon model consisting of a nanofibrillar isotropic core coated with a platelet lysate hydrogel encapsulating human hTDCs (Chapter VIII). The work developed in this thesis provided evidence of the potential of blood-derived EVs in mediating tendon cells reparative processes, either alone or combined with biomaterials, by regulating stem cell differentiation, ECM remodeling, and immune response. Harnessing their features, EVs may have opened a new era for tendon tissue repair and regeneration approaches.

As lesões nos tendões representam um sério problema para a saúde e para a sociedade em todo o mundo. Devido à capacidade limitada de regeneração dos tendões, solucionar essas lesões é frequentemente um desafio significativo. No entanto, as terapias atualmente utilizadas não abordam a causa das lesões nos tendões, tornando-se necessário o desenvolvimento de novas terapias que promovam uma regeneração mais efetiva. Recentemente, as vesículas extracelulares (VEs) têm recebido uma grande atenção devido ao seu papel crucial na comunicação entre as células e sua capacidade de transferir moléculas bioativas, surgindo como uma nova conquista na engenharia de tecidos e medicina regenerativa para promover a regeneração natural do tecido. Nesta tese, foram exploradas diversas estratégias terapêuticas baseadas em VEs obtidas do sangue humano, com o objetivo de obter um conhecimento mais abrangente sobre as VEs atuando como sinais bioquímicos que promovem a reparação do tecido tendinoso. As VEs derivados do sangue foram obtidas a partir de plaquetas (Capítulo IV) e macrófagos derivados de monócitos (Capítulo V), e sua morfologia, tamanho e conteúdo proteico foram minuciosamente avaliados. Aproveitando o conteúdo bioativo dos VEs, o seu impacto no comportamento em células tendão (Capítulo VI) e na resposta inflamatória (Capítulo V) foi explorado. Em seguida, um modelo 3D de tendão in vitro foi desenvolvido, utilizando fibras agrupadas hierarquicamente revestidas com um hidrogel de colágeno e células do tecido adiposo, a fim de esclarecer o comprometimento tenogénico destas células (Capítulo VII). Além disso, o potencial regenerativo dos VEs foi explorado usando de um modelo de tendão doente, consistindo em um núcleo isotrópico nanofibrilar revestido com um hidrogel à base de lisado de plaquetas e células de tendão (Capítulo VIII). O trabalho desenvolvido nesta tese forneceu evidências do potencial das VEs derivadas do sangue, sozinhas ou combinadas com biomateriais, na regulação de vários processos de reparação do tendão, influenciando a diferenciação das células, a remodelação da matriz extracelular e a resposta imunológica.