Nature-derived Conductive Scaffolds for Therapeutic Applications

Abstract

Abstract Cardiovascular Diseases (CVD), currently considered the leading cause of death world- wide, highlight the imminent need for innovative therapies in the treatment of cardiac pathologies. In this study, Cardiac Tissue Engineering (CTE) was highlighted as a promis- ing approach, featuring the potential of Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Car- diomyocytes (iPSC-CMs). One of the main challenges was the difficulty for many sub- strates to induce cellular maturation equivalent to that of an adult human heart. For this reason, this research consisted of developing substrates based on gelatin and con- ductive materials, such as Laser-Induced Graphene (LIG), which simulate the charac- teristics of the natural myocardial microenvironment. LIG is obtained by laser irradi- ating suitable carbon-based precursors by photoconverting sp3 carbon atoms into sp2 carbon atoms, resulting in a three-dimensional structure of highly conductive porous graphene. Thus, two groups that served as substrates for LIG were analyzed: (a) one containing gelatin and sodium tetraborate decahydrate and (b) another composed of gelatin, genipin and sodium tetraborate decahydrate. The mechanical and electrical prop- erties of the films were studied before and after immersion in a solution of 1-Ethyl-3-(3- dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC)-N-Hydroxysuccinimide (NHS). This crosslink- ing agent has been used to improve the stability of substrates in in vitro physiological environments. Out of the substrates analyzed, only the 2 immersed in EDC-NHS were evaluated for their influence on viability, cell proliferation and expression of proteins indicative of the contractile phenotype of iPSC-CMs, namely α-Actinin. The results obtained indicate that the substrate containing genipin was promising, exhibiting con- ductive properties similar to those of human heart tissue, consequently maintaining cell viability and promoting the proliferation and maturation of iPSC-CMs. These cells showed a morphology relatively similar to mature Cardiomyocytes (CMs) and a notable expression of contractile proteins. The genipin film appears as a new proposal in the field of CTE, signaling possible clinical advances in the fight against CVD and representing significant progress in this area.

As doenças cardiovasculares (CVD), consideradas atualmente a principal causa de morte a nível mundial, evidenciam a necessidade iminente de terapias inovadoras no tratamento de patologias cardíacas. Neste estudo, destacou-se a engenharia de tecidos cardíacos (CTE) como uma abordagem promissora, ressaltando o potencial dos cardiomiócitos derivados de células estaminais pluripotentes induzidas (iPSC-CMs). Um dos principais desafios é a dificuldade de muitos substratos induzirem a maturação celular equivalente à de um coração humano adulto. Por esse motivo, esta pesquisa consistiu no desenvolvimento de substratos baseados em gelatina e materiais condutores, como o grafeno induzido por laser (LIG), que simulam as características do microambiente natural miocárdico. O LIG é obtido a partir da irradiação a laser de precursores à base de carbono, convertendo átomos de carbono sp3 em sp2, resultando numa estrutura tridimensional de grafeno po- roso altamento condutor. Assim, foram analisados dois grupos que serviram de substrato para o LIG: (a) um contendo gelatina e tetraborato de sódio decahidratado e (b) outro composto por gelatina, genipina e tetraborato de sódio decahidratado. Foram estudadas as propriedades mecânicas e elétricas dos filmes antes e após imersão numa solução de 1-Etil-3-(3-dimetilaminopropil)carbodiimida-N-Hidroxisuccinimida (EDC-NHS); este agente reticulante foi utilizado para melhorar a estabilidade dos substratos em ambientes fisiológicos in vitro. Dos substratos analisados, apenas os 2 imersos em EDC-NHS foram avaliados quanto à sua influência na viabilidade, proliferação celular e expressão das proteínas indicativas do fenótipo contrátil dos iPSC-CMs, nomeadamente a α-Actinina. Os resultados obtidos indicam que o substrato contendo genipina revelou-se promissor, exibindo propriedades condutoras semelhantes às do tecido cardíaco humano, manteve a viabilidade celular e promoveu a proliferação e maturação dos iPSC-CMs. Estas células apresentaram uma morfologia relativamente semelhante à dos cardiomiócitos (CMs) ma- duros e uma expressão notável de proteínas contráteis. O filme com genipina surge como uma nova proposta no campo da CTE, sinalizando possíveis avanços clínicos no combate às CVD e representando um progresso significativo nesta área.