2.4.1 Migliorare la cardiomioplastica cellulare
La cardiomioplastica cellulare è stata ampiamente esplorata come potenziale strategia terapeutica per la riparazione e la rigenerazione cardiaca (Mohsin et al., 2011; Huu et al., 2012; Passier et al., 2008). L’approccio prevede il trapianto di cellule sospese in un liquido come mezzo di coltura salina o cellulare nel tessuto infartuato o nella zona di confine mediante iniezioni intramiocardiche. Sfortunatamente, gli attuali studi clinici che utilizzano cellule derivate dal midollo osseo mostrano risultati misti nel miglioramento della frazione di eiezione del ventricolo sinistro dopo il trapianto parzialmente a causa dello scarso attecchimento cellulare e della sopravvivenza dopo il parto (Wollert, 2011). È stato dimostrato che mentre le cellule trapiantate sono vitali poco dopo l’impianto, entro 1 settimana solo ~ 1% delle cellule rimane dall’analisi di TUNEL (Reinecke e Murry, 2002). La maggior parte della morte cellulare osservata nei primi giorni del trapianto è probabilmente causata dalla combinazione di ischemia, infiammazione e anoikis, o apoptosi indotta dall’interruzione delle interazioni cellula–matrice (Haider e Ashraf, 2008; Robey et al., 2008). Christman et al. (2004b) sono stati i primi a dimostrare che l’iniezione di cellule insieme a un idrogel può migliorare la sopravvivenza del trapianto di cellule in un modello di MI di ratto. Questo studio ha utilizzato mioblasti scheletrici del ratto neonatale con un’iniezione di fibrina e ha dimostrato che rispetto alla somministrazione di liquidi convenzionali, la fibrina ha migliorato la sopravvivenza del mioblasto di più di due volte. L’iniezione di mioblasti con fibrina ha aumentato l’accorciamento frazionario e lo spessore dell’infarto (Christman et al., 2004a), ma questo non era statisticamente diverso dall’iniezione di fibrina da sola. Da allora, l’uso della fibrina come veicolo di consegna per migliorare il successo della cardiomioplastica cellulare è stato dimostrato con le cellule del midollo osseo (Nakamuta et al., 2009), cellule staminali cardiache derivate dal midollo (Guo et al., 2011) e cellule staminali adipose derivate (Danoviz et al., 2010; Zhang et al., 2010).
Altri idrogel derivati naturalmente che sono stati usati per fornire la terapia cellulare includono il chitosano (Lu et al., 2009; Lüet al., 2010), Matrigel (Laflamme et al., 2007), e alginato RGD-modificato (Yu et al., 2010). Come accennato in precedenza, l’alginato manca dei motivi intrinseci per l’adesione cellulare, quindi per prevenire l’anoikis delle cellule trapiantate, devono essere apportate modifiche all’alginato per fornire interazioni cellula–matrice. Yu et al. (2010) ha usato un alginato RGD-modificato per incapsulare le cellule staminali mesenchimali umane (hMSCs). Le microsfere generate da questa soluzione e iniettate in un modello di riperfusione ischemica in ratti nudi hanno mostrato persistenza di HMSC in microcapsule a 7 giorni e 2 settimane, mentre le HMSC iniettate con il mezzo erano rilevabili solo a 1 giorno. Sia le microsfere che le HMSC con microsfere sono state in grado di prevenire il deterioramento dello spessore della parete anteriore e delle dimensioni LV durante la sistole e la diastole, ma non c’erano differenze tra i due gruppi. Per affrontare le varie cause di scarsa sopravvivenza cellulare (condizioni ischemiche, anoikis e rilascio di fattori infiammatori), Laflamme et al. (2007) ha sviluppato un approccio su più fronti, che hanno definito un cocktail prosurvival (PSC) che includeva Matrigel per prevenire anoikis, ciclosporina A per la soppressione immunitaria, un inibitore della caspasi, peptide anti-mitocondriale-apoptotico Bcl-XL, fattore di crescita insulino-simile e un composto che imita il condizionamento ischemico. L’uso di PSC ha migliorato la sopravvivenza del trapianto di cardiomiociti derivati da cellule staminali embrionali umane (hESC) e ha aumentato le dimensioni dell’innesto di sette volte da 1 a 4 settimane dopo l’iniezione. In modo eccitante, questo approccio combinatorio ha portato a infarti con una significativa ri-muscolarizzazione (fino al 10,7%; colour Plate VIII). L’iniezione di cardiomiociti derivati da hESC con PSC ha migliorato significativamente la dimensione sistolica dell’estremità del ventricolo sinistro, l’accorciamento frazionario e l’ispessimento della parete rispetto al solo PSC, alle cellule non contrattili con PSC e ai controlli medi liberi dal siero.
Degli idrogel sintetici, a base di PEG (Wang et al., 2009b; Kraehenbuehl et al., 2011), idrogel basati su PNIPAAm (Li et al., 2010; Wall et al., 2010), peptide NFs (Dubois et al., 2008), e idrossipropil metilcellulosa (Mathieu et al., 2012) sono stati iniettati insieme a cellule in piccoli modelli di MI animali per la riparazione cardiaca. Come menzionato nella Sezione 2.2, PEG e PNIPAAm mancano di bioattività intrinseca e non sono degradabili, tuttavia, sono facilmente modificabili con biomolecole per migliorare queste caratteristiche. Kraehenbuehl et al. (2011) idrogel modificati del solfone del PEG-vinile con i peptidi MMP-clivable ed i leganti integrin-leganti per produrre un idrogel adesivo e degradabile delle cellule. Utilizzando questo idrogel sintetico biomimetico, hanno consegnato hESCs e timosina β4, un fattore angiogenico e pro-sopravvivenza, 1 ora dopo l’occlusione totale in un modello di infarto miocardico. Hanno notato che nel corso delle settimane, mentre l’idrogel veniva degradato, le cellule a contatto con il gel aumentavano. Entro 6 settimane, l’idrogel non era rilevabile, ma le cellule consegnate con l’idrogel e la timosina β4 avevano dimensioni dell’infarto significativamente più piccole e volume diastolico finale rispetto ai controlli iniettati con PBS. Inoltre, il volume sistolico finale e la frazione di eiezione sono stati significativamente migliorati rispetto a tutti gli altri gruppi di trattamento. Allo stesso modo, Wall et al. (2010) ha anche cercato di modificare l’idrogel sintetico termoresponsivo PNIPAAm con l’aggiunta di cross-linker peptidici degradabili MMP e sequenze peptidiche contenenti RGD. Le iniezioni sono state effettuate con MSC derivati dal midollo osseo di topo in un modello di occlusione totale murina immediatamente dopo l’infarto. A 6 settimane, le MSC erano rilevabili nel 38% dei cuori quando iniettate con l’idrogel, ma non erano identificabili quando iniettate da sole. È interessante notare che l’uso di Matrigel ha portato al 25% dei cuori con cellule rilevabili, indicando che gli idrogel sintetici, con modificazioni biomimetiche, potrebbero supportare le interazioni cellula–matrice e diminuire anoikis in modo uguale o migliore rispetto agli idrogel di derivazione naturale. Nello studio di Mathieu et al. (2012), è interessante notare che l’iniezione della metilcellulosa silanizzata hydoxyproypl da sola non ha migliorato le misurazioni dell’ecocardiografo a 8 settimane, probabilmente a causa della sua mancanza di bioattività intrinseca. Tuttavia, l’iniezione di MSC con metilcellulosa idossiproipl silanizzata ha migliorato significativamente il diametro sistolico dell’estremità LV, l’accorciamento frazionario e la frazione di eiezione.
In un modello mini pig MI, Lin et al. (2010) cellule mononucleate del midollo osseo iniettate (MNCS) con oligopeptidi autoassemblanti immediatamente post-infarto. L’iniezione di MNCS con peptide NFs ha migliorato la sopravvivenza di MNC dieci volte rispetto alle MNCS iniettate da sole. Inoltre, l’iniezione con NFs ha aumentato la differenziazione MNC alle cellule muscolari endoteliali e lisce, portando ad un aumento della densità capillare rispetto all’iniezione MNC da sola. Dei tre gruppi di trattamento (MNC da solo, NF da solo e MNC con NF), le cellule consegnate con l’idrogel NF sono state in grado di prevenire la dilatazione del ventricolo sinistro, preservare la funzione cardiaca e migliorare la forma dell’infarto. In particolare, la frazione di eiezione e lo spessore della cicatrice erano significativamente più alti nel MNC con il gruppo NF rispetto a entrambi i dati da solo. Gli autori hanno ipotizzato che mentre l’iniezione di MNC da sola era in grado di migliorare la funzione sistolica, l’iniezione di MNC con NF era necessaria per migliorare sia la funzione diastolica che quella sistolica.