Advancing cell-based therapies towards the treatment of myocardial infarction

Abstract

Cardiovascular diseases remain the leading cause of death worldwide, with current available therapies failing to prevent or revert cardiac dysfunction. Thus, efforts have been made towards the development of new approaches with the potential to promote heart regeneration. Growing evidence suggests that the beneficial effects of transplanted cells are conducted by cells’ secreted factors, such as extracellular vesicles (EVs). In this context, EV-based products are emerging as promising therapeutic strategies to repair cardiac damage after myocardial infarction. Since the clinical translation of human adipose tissue-derived MSC (hAT-MSC) and hAT-MSC-derived EVs is currently limited by their scalability, in this work, two different strategies for manufacturing MSC-derived EVs with increased cardiac regenerative potential while maximizing EV secretion yields were explored. hAT-MSC were (i) transiently preconditioned, through glucose starvation and transfec-tion with miR-145-5p inhibitor, known to impact their angiogenic potential and (ii) hAT-MSC were genetically modified with a lentiviral vector co-expressing apelin and FGF-2, two angiogenic and cardioprotective factors. hAT-MSC were expanded using a microcarrier-based culture system in stirred-tank bioreactors under hypoxic conditions. hAT-MSC-derived EVs were isolated from the conditioned medium by tangential flow filtration followed by size exclusion chromatography. The different strategies implemented resulted in increased EV productivities (1.3-1.8-fold increase). We have observed that decreasing glucose concentration below 1 mM can not only impact the ability of MSC to secrete EVs, but also enhance their bioactivity towards cardiac regeneration, shedding light on the importance of standardizing cell culture conditions to develop more robust platforms for EV production. Additionally, we have shown that chemically-based non-viral gene delivery of miR-145-5p inhibitor can constitute a suitable approach to target the therapeutic potential of hAT-MSC-derived EVs. Finally, we have observed that genetically modified hAT-MSC can also secrete EVs with cardiac regeneration potential.

Atualmente, as doenças cardiovasculares são a principal causa de morte a nível mundial, sendo que as terapias atualmente empregues não conseguem prevenir ou reverter a disfunção cardíaca. Posto isto, esforços têm sido feitos de forma a desenvolver novas terapias capazes de promover a regeneração do tecido cardíaco. Estudos recentes sugerem que os efeitos benéficos das células transplantadas são induzidos por fatores por elas secretados, tais como as vesículas extracelulares (EVs). Por conseguinte, produtos terapêuticos à base de EVs surgem como alternativas promissoras. Dado que a translação clínica de hMSCs do tecido adiposo (hAT-MSCs) e de EVs derivadas de hAT-MSCs é limitada pela sua escalabilidade, neste trabalho foram exploradas duas estratégias para a produção de EVs de forma a maximizar o seu potencial de regeneração cardíaco, bem como os rendimentos das EVs geradas. As hAT-MSCs foram (i) precondicionadas de forma transiente, através da deprivação de glucose e transfeção com o inibidor miR-145-5p, que tem um impacto no seu potencial pro-angiogénico e (ii) as hAT-MSCs foram geneticamente modificadas com um vetor lentiviral que co-expressa apelina e FGF-2, dois factores pro-angiogénicos e cardioprotectores. As hAT-MSCs foram expandidas num sistema de cultura em birreatores de tanque agitado baseado em microcarriers sob condições de hipóxia. As EVs produzidas foram isoladas do meio de cultura por filtração de fluxo tangencial seguida de uma cromatografia por exclusão de tamanho. As diferentes estratégias implementadas resultaram no aumento da produtividade de EVs (aumento de 1.3-1.8 vezes). Foi possível observar que a diminuição da concentração de glucose abaixo de 1 mM tem impacto não só na capacidade de secreção de EVs, mas também aumenta a sua bioactividade direcionada à regeneração cardíaca, mostrando a importância de controlar as condições de cultura celular para desenvolver plataformas robustas para a produção de EVs. Além disso, demonstrámos que a transfeção celular com o inibidor miR-145-5p pode constituir uma abordagem adequada para aumentar o potencial terapêutico das EVs. Finalmente, foi observado que as hAT-MSCs geneticamente modificadas também possuem a capacidade de secretar EVs com potencial de regeneração cardíaco.