Development of a bioactive epicardial composite patch for support of myocardial regeneration

Abstract

After progression to heart failure, the only treatment option to date is a heart transplant, but this is limited due to a lack of donor organs. One response to a myocardial infarction is the activation of epicardial cells, ultimately differentiating towards the cardiac lineage in the myocardium. One promising therapy, injection of progenitor cells in the infarcted area, has been met with contradictory success in the clinic. In contrast, epicardial patches, of polymeric or biological background, allow controlled local treatment to induce cardiac regeneration in preclinical attempts. The aim of this project was to develop an epicardial composite patch to support the cardiac regeneration process. It consists of human cardiac extracellular matrix (hcECM), providing specific bioactivity and a polymeric or amniotic scaffold, with basic biocompatibility providing the required mechanical stability. The hcECM was processed to a hydrogel (hgECM) and the scaffolds were coated with hgECM. Morphology and mechanical properties were measured determined. A hgECM coating caused a stabile nano-scaffold on the scaffolds and mechanical properties were unchanged. Then, transdifferentiated induced cardiomyocytes progenitors (iCMP) were cultured on the scaffolds to achieve a cellular bio enhancement. After hgECM coating, biocompatibility was assessed by adhesion capacity, LDH-release, BrdU-incorporation and LIVE/DEAD staining. We found a clearly improved adhesion of several cardiac cells and iCMPs. Also, hgECM reduced cell necrosis and improved cell proliferation determined by LDH-release and BrdU-incorporation. Moreover, more alive cells were detected on hgECM coated scaffolds. ELISA technology revealed a reduction of proinflammatory cytokine secretion by LPS-activated monocytes on both hgECM coated scaffolds and by naïve monocytes on polymeric scaffold. No activation and impact by hgECM coating was observed regarding T cell proliferation and macrophage polarization determined by ELISA technology and flow cytometry. Additionally, an in vitro assay was established based on the first response of the immune system: Polymorph Nuclear Cells. The amnion membrane as the “proof-of-principle” implant showed no immune response in this test and translation to any material is possible. Here, we developed a new composite epicardial scaffold with hECM that has the potential to be used in large animal experiments and ultimately clinical studies. As a cell-free material, the production process can readily be scaled-up under GMP conditions. Further in vivo testing will reveal whether the composite patch is able to significantly modify post-infarct remodeling processes. In any event, it may serve as a universal platform for epicardial delivery of a broad spectrum of cells and therapeutic agents.

Nach Fortschreiten der Herzinsuffizienz ist eine Herztransplantation bisher die einzige Behandlungsoption, die jedoch aufgrund fehlender Spenderorgane begrenzt ist. Eine Antwort auf einen Herzinfarkt ist die Aktivierung von Epikardzellen, die sich letztendlich zur Herzlinie im Myokard hin differenzieren können. Injizierung von Vorläuferzellen in den Infarktbereich zeigten in der Klinik widersprüchlichen Erfolg. Im Gegensatz dazu ermöglichen Epikard-Patches mit polymerem oder biologischem Hintergrund eine kontrollierte lokale Behandlung, um die Regeneration des Herzens zu stärken. Dieses Projekt hatte die Entwicklung eines epikardialen Komposite-Patches zur Unterstützung des kardialen Regenerationsprozesses zum Ziel. Es besteht aus humaner extrazellulärer Herzmatrix (hECM), die eine spezifische Bioaktivität und eine optimale Zellumgebung bietet, und einem polymeren oder amniotischen Gerüst mit basaler Biokompatibilität, die die erforderliche mechanische Stabilität liefert. Die hECM wurde zu einem Hydrogel (hgECM) verarbeitet, und Gerüste wurden mit hgECM beschichtet. Die grundlegende Morphologie und die mechanischen Eigenschaften wurden durch einachsige Ziehversuche und Elektronenmikroskopie gemessen. Die Biokompatibilität wurde durch Adhäsionskapazität, LDH-Freisetzung, BrdU-Einbau und LIVE/DEAD-Färbung bewertet und die Immunogenität wurde durch Zytokinsekretion, Makrophagenpolarisation und T-Zellproliferation bestimmt. Darüber hinaus wurden transdifferenzierte induzierte Kardiomyozyten-Vorläufer (iCMP) auf Gerüsten zur zellulären Bioverbesserung kolonialisiert. Eine hgECM-Beschichtung bewirkte eine stabile Nanobeschichtung auf den Gerüsten und die mechanischen Eigenschaften wurden nicht beeinflusst. Nach der hgECM-Beschichtung verbesserte sich die Adhäsion bei mehreren Herzzellen und iCMP deutlich. Darüber hinaus induzierte hgECM eine verringerte Zellnekrose und verbesserte Zellproliferation, bestimmt durch LDH-Freisetzung und BrdU-Einbau. Durch LIVE/DEAD-Färbung wurden auf hgECMbeschichteten Gerüsten mehr Zellen als lebendig indentifiziert. Eine hgECM-Beschichtung verursachte eine Verringerung der proinflammatorischen Zytokinsekretion bei LPS-aktivierten Monozyten auf beiden Gerüsten und auch von naiven Monozyten auf polymeren Gerüsten. In Bezug auf die Proliferation von T-Zellen und die Polarisation von Makrophagen wurde keine Aktivierung und keine Beeinflussung durch hgECM-Beschichtung beobachtet. Zusätzlich wurde ein in vitro Test basierend auf der ersten Reaktion des Immunsystems etabliert: Polymorph Nuclear Cells. Die Amnionmembran als „Proof-of-Principle“ -Implantat zeigte in diesem Test keine Immunreaktion, und eine Translation auf jedes Material ist möglich. Wir haben hier ein neues zusammengesetztes Epikard-Gerüst mit humaner Herz-ECM entwickelt, das das Potenzial hat, in Großtierstudien und schließlich in klinischen Studien eingesetzt zu werden. Als zellfreies Material kann der Produktionsprozess unter GMPBedingungen problemlos skaliert werden. Weitere in vivo Tests zeigen, ob das Komposit-Pflaster Post-Infarkt-Remodellierungsprozesse signifikant modifizieren kann. In jedem Fall kann es als universelle Plattform für die epikardiale Abgabe eines breiten Spektrums von Zellen und Therapeutika dienen.