Tesis por compendio / [ES] El aumento de la esperanza de vida conlleva la aparición de problemas muscoloesqueléticos afectando a la calidad de vida de los pacientes. Las nuevas terapias regenerativas óseas se centran en el uso de las células madre mesenquimales, MSCs, encargadas de la regeneración del tejido in vivo. La inducción de un fenotipo osteogénico prediferenciado in vitro, previo a la implantación de las MSCs, resulta en una mejor capacidad de regeneración del tejido óseo. Habitualmente se han empleado medios de diferenciación osteogénica que contienen dexametasona. Estos métodos son poco eficientes, por lo que el uso de métodos físicos está adquiriendo relevancia. El hueso es un tejido con propiedades piezoeléctricas debido a las fibras de colágeno que forman parte de su matriz extracelular. Este estímulo ha sido relacionado con su capacidad de responder al estrés mecánico y autoregenerarse, donde juegan un papel importante las MSCs. Éstas se encuentran en un entorno electroactivo, y son precisamente estas señales físicas las que pueden influir en su proceso de diferenciación osteogénica pudiendo ser empleadas para su prediferenciación in vitro de forma efectiva. Para comprobar esta hipótesis, en la presente Tesis Doctoral se han diseñado soportes de cultivo piezoeléctricos en 2 y 3 dimensiones basados en el uso del polímero piezoeléctrico polifluoruro de vinilideno (PVDF) combinados con partículas magnetostrictivas de ferrita de cobalto (CFO). Esta combinación permite la estimulación de los soportes de cultivo aplicando un campo magnético con un biorreactor. Este campo magnético genera la deformación del componente magnetostrictivo, que es transmitida a la matriz polimérica, deformándola y generando un campo eléctrico. Ésta última es transmitida a las células cultivadas en estos soportes para estudiar su efecto sobre la diferenciación osteogénica. En el primer capítulo se desarrollaron y caracterizaron membranas electroactivas de PVDF fabricadas por el método de separación de fases inducida por no-solventes. Se empleó etanol como no-solvente, dando lugar a membranas homogéneas altamente porosas. Estas cristalizan en fase g. Se optimizó un recubrimiento basado en la técnica capa a capa (LbL), empleando recombinámeros similares a la elastina (ELRs) que contenían secuencias de adhesión celular RGD. Se estudió la respuesta celular inicial de las MSCs y se comparó con los mismos soportes recubiertos únicamente con fibronectina adsorbida. La presencia de los ELRs es necesaria para promover la adhesión inicial de las MSCs en este tipo de soportes. En el segundo capítulo se combinó el PVDF con CFO, usando agua como no-solvente. Las membranas eran no simétricas, con una superficie lisa, que fue empleada para cultivo celular, con una mayoría en fase b, la más electroactiva. Se recubrieron y caracterizaron las membranas mediante LbL con colágeno tipo I y heparina. Se estudió el comportamiento de las MSCs sobre el LbL, resultando esencial para la proliferación celular en el caso de las membranas PVDF-CFO. En el capítulo tres se desarrollaron films de PVDF y PVDF-CFO cristalizados en presencia del líquido iónico [Bmim][Cl]. La presencia de éste indujo la nucleación del PVDF en fase b. Las MSCs eran capaces de adherirse y proliferar. Se realizaron ensayos de estimulación piezoeléctrica empleando un biorreactor magnético. Las MSCs respondieron a la estimulación incrementado la longitud de sus adhesiones focales, así como reduciendo la vimentina en el citoplasma. Finalmente, se diseñaron soportes de cultivo piezoeléctricos en 3D. Para ello se desarrollaron microesferas de PVDF y PVDF-CFO mediante la técnica de electropulverizado. Las microesferas se encapsularon en hidrogeles de gelatina junto con las MSCs. Se estimularon y tras 7 días, se observó un incremento en la expresión del factor de transcripción RUNX2 en las muestras estimuladas demostrando que la estimulación piezoeléctrica es capaz de activar en mayor medida la diferenciación de las MSCs. / [CA] L'augment de l'esperança de vida comporta l'aparició de problemes muscoloesquelètics afectant la qualitat de vida dels pacients. Les noves teràpies regeneratives òssies es centren en l'ús de les cèl·lules mare mesenquimals, MSCs, encarregades de la regeneració del teixit in vivo. La inducció d'un fenotip osteogènic prediferenciat in vitro, previ a la implantació de les MSCs, resulta en una millor capacitat de regeneració del teixit ossi. Habitualment s'han fet servir mitjans de diferenciació osteogènica que contenen dexametasona. Aquests mètodes són poc eficients, per la qual cosa l'ús de mètodes físics està adquirint rellevància. L'os és un teixit amb propietats piezoelèctriques a causa de les fibres de col·lagen que formen part de la seva matriu extracel·lular. Aquest estímul ha estat relacionat amb la capacitat de respondre a l'estrès mecànic i autoregenerar-se, on juguen un paper important les MSCs. Aquestes es troben en un entorn electroactiu, i són precisament aquests senyals físics els que poden influir en el seu procés de diferenciació osteogènica podent ser emprats per a la seva prediferenciació in vitro de manera efectiva. Per comprovar aquesta hipòtesi, a la present tesi doctoral s'han dissenyat suports de cultiu piezoelèctrics en 2 i 3 dimensions basats en l'ús del polímer piezoelèctric polifluorur de vinilidè (PVDF) combinats amb partícules magnetostrictives de ferrita de cobalt (CFO). Aquesta combinació permet l'estimulació dels suports de cultiu aplicant un camp magnètic amb un bioreactor. Aquest camp magnètic genera la deformació del component magnetostrictiu, que és transmesa a la matriu polimèrica, deformant-la i generant un camp elèctric. Aquesta última és transmesa a les cèl·lules cultivades en aquests suports per estudiar-ne l'efecte sobre la diferenciació osteogènica. En el primer capítol es van desenvolupar i caracteritzar membranes electroactives de PVDF fabricades pel mètode de separació de fases induïda per no solvents. Es va emprar etanol com a no-solvent, donant lloc a membranes homogènies altament poroses. Aquestes cristal·litzen en fase g. S'optimitzà un recobriment basat en la tècnica capa a capa (LbL), emprant recombinàmers similars a l'elastina (ELRs) que contenien seqüències d'adhesió cel·lular RGD. Es va estudiar la resposta cel·lular inicial de les MSCs i es va comparar amb els mateixos suports recoberts únicament amb fibronectina adsorbida. La presència dels ELR és necessària per promoure l'adhesió inicial de les MSCs en aquest tipus de suports. En el segon capítol es va combinar el PVDF amb CFO, usant aigua com a no-solvent. Les membranes eren no simètriques, amb una superfície llisa, que va ser emprada per a cultiu cel·lular, amb una majoria en fase b, la més electroactiva. Es van recobrir i caracteritzar les membranes mitjançant LbL amb col·lagen tipus I i heparina. Es va estudiar el comportament de les MSCs sobre el LbL, resultant essencial per a la proliferació cel·lular en el cas de les membranes PVDF-CFO. Al capítol tres es van desenvolupar films de PVDF i PVDF-CFO cristal·litzats en presència del líquid iònic [Bmim][Cl]. La seva presència va induir la nucleació del PVDF en fase b. Les MSCs eren capaces d'adherir-se i proliferar. Es van realitzar assajos d'estimulació piezoelèctrica emprant un bioreactor magnètic. Les MSCs van respondre a l'estimulació incrementant la longitud de les seves adhesions focals, així com reduint la vimentina al citoplasma. Finalment, es van dissenyar suports de cultiu piezoelèctrics en 3D. Per això es van desenvolupar microesferes de PVDF i PVDF-CFO mitjançant la tècnica d'electropolveritzat. Les microesferes es van encapsular en hidrogels de gelatina juntament amb les MSCs. Es van estimular i després de 7 dies, es va observar un increment en l'expressió del factor de transcripció RUNX2 a les mostres estimulades demostrant que l'estimulació piezoelèctrica és capaç d'activar més la diferenciació de les MSCs. / [EN] Life expectancy increase entails the presence of musculoskeletal disorders producing a substantial impact on patient's quality of life. New bone regenerative therapies are focused on the use of mesenchymal stem cells (MSCs), the main effectors of bone regeneration in vivo. Over the years, it has been demonstrated that the induction of a pre-differentiated phenotype in vitro, before MSCs implantation, results in a better capacity for bone tissue regeneration. For this purpose, biochemical approaches based on the use of osteogenic differentiation medium containing dexamethasone have traditionally been used. These methods are not efficient, which has favoured the use of physical methods as an alternative. Bone is a piezoelectric tissue due to the collagen fibres that conform its extracellular matrix. This stimulus has been related to its ability to respond to mechanical stress and self-regenerate, a process in which MSCs play a key role. MSCs are subjected to an electroactive environment. It is hypothesised that these physical signals may influence their osteogenic differentiation process and be used to effectively pre-differentiate them in vitro. To test this hypothesis, along this Doctoral Thesis, piezoelectric cell culture supports have been designed in 2 and 3 dimensions based on the use of the piezoelectric polymer poly(vinylidene) fluoride (PVDF) combined with magnetostrictive cobalt ferrite oxide (CFO) nanoparticles. This combination allows the stimulation of culture supports by applying a magnetic field with a bioreactor. This magnetic field induces the deformation of the magnetostrictive component, which is transmitted to the polymeric matrix, generating a deformation and producing an electric field, which is transmitted to the MSCs to study its effect on their osteogenic differentiation. In the first chapter, electroactive PVDF membranes manufactured by the non-solvent induced phase separation technique were developed and characterised. Ethanol was used as a non-solvent, which gave rise to highly porous homogeneous membranes crystallised in the g phase. A coating protocol based on the layer-by-layer (LbL) technique, using elastin-like recombinamers (ELRs) containing RGD cell adhesion sequences, was optimised. MSCs' initial cellular response was studied and compared with the membranes coated with adsorbed fibronectin. The presence of the ELRs was necessary to promote MSCs' initial adhesion in this type of support. In the second chapter, PVDF was combined with CFO, using water as a non-solvent. The membranes were not symmetrical, with a smooth surface used for cell culture, with a majority in phase b, the most electroactive. Membranes were coated and characterised by LbL with type I collagen and heparin. The behaviour of MSCs on LbL was studied, essential for cell proliferation in the case of PVDF-CFO membranes. In chapter three, PVDF and PVDF-CFO films crystallised in the presence of the ionic liquid [Bmim][Cl] were developed. The presence of ionic liquid induced PVDF nucleation in the b phase. MSCs were able to adhere and proliferate. Piezoelectric stimulation tests were performed using a magnetic bioreactor. MSCs responded to stimulation by increasing the length of their focal adhesions and reducing vimentin in the cytoplasm. Finally, 3D piezoelectric culture supports were designed. For this, PVDF and PVDF-CFO microspheres were developed using the electrospray technique. The microspheres were encapsulated in gelatin hydrogels together with the MSCs. They were stimulated, and after 7 days, an increase in the expression of the transcription factor RUNX2 was observed in the stimulated samples, demonstrating that piezoelectric stimulation is capable of activating the differentiation of MSCs to a greater extent. / La presente tesis doctoral no podría haberse realizado sin la financiación del Ministerio de Economía y Competitividad a través de la beca para formación de personal investigador BES-2017-080398 y a la Agencia Estatal de Investigación a través de los proyectos PID2019-106000RB-C21 / AEI / 10.13039/501100011033, PID2019-106099RB- C41 y –C43 / AEI / 10.13039/501100011033. / Guillot Ferriols, MT. (2022). Electroactive Environments for Mesenchymal Stem Cells Osteogenic Differentiation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191003 / Compendio

[ES] La cardiopatía isquémica, caracterizada por la falta de suministro adecuado de oxígeno al tejido cardíaco, es una afección grave que puede desencadenar un infarto agudo de miocardio y contribuir al desarrollo de la insuficiencia cardíaca (IC). A pesar de las terapias actuales, la IC sigue siendo una enfermedad con alta morbilidad y mortalidad, lo que destaca la necesidad de estrategias terapéuticas más efectivas. En este contexto, las células madre mesenquimales (MSCs) y, en especial sus vesículas extracelulares (EVs), han surgido como opciones prometedoras por sus propiedades regenerativas, pro-angiogénicas e inmunomoduladoras. Sin embargo, el reto actual se centra en mejorar la eficacia terapéutica de las EVs, ya sea mejorando su biodisponibilidad en el tejido cardíaco o potenciando sus capacidades intrínsecas, con el fin de hacer viable una terapia basada en las mismas. En este trabajo, nos hemos centrado en la mejora de las EVs mediante la modificación genética de las MSCs. Hemos seguido dos enfoques: la carga de oncostatina M (OSM) en la superficie de las EVs y la sobreexpresión inducible del dominio intracelular de Notch1 (N1ICD) junto con el factor inducible por hipoxia 1-alfa (HIF1A) en MSCs para enriquecer las EVs con factores terapéuticos, con la expectativa de mejorar su eficacia en el contexto de la isquemia cardíaca. Los resultados obtenidos muestran que las EVs cargadas con OSM poseen propiedades antifibroticas superiores a las EVs nativas, además de reducir el daño cardíaco provocado por la infusión de isoproterenol in vivo. Por otro lado, la sobreexpresión de N1ICD y HIF1A actúa a modo de precondicionamiento genético favoreciendo la carga de diferentes moléculas terapéuticas en las EVs. Estas EVs han demostrado ejercer efectos beneficiosos in vitro como la reducción de la fibrosis, la protección de los cardiomiocitos y reducción de la hipertrofia, la disminución de especies reactivas de oxígeno, y el aumento de la angiogénesis. En el estudio in vivo estas EVs redujeron el daño provocado por la infusión de isoproterenol. En conclusión, hemos generado dos tipos de EVs con un potencial terapéutico superior a las EVs nativas en el contexto de la patología cardíaca. Este trabajo abre la puerta al diseño de nuevas estrategias terapéuticas basadas en EVs, abordando de manera integral los diversos aspectos de la enfermedad cardíaca. / [CA] La cardiopatia isquèmica, caracteritzada per la falta de subministrament adequat d'oxigen al teixit cardíac, és una afecció greu que pot desencadenar un infart agut de miocardi i contribuir al desenvolupament de la insuficiència cardíaca (IC). Malgrat les teràpies actuals, la IC continua sent una malaltia amb alta morbiditat i mortalitat, la qual cosa destaca la necessitat d'estratègies terapèutiques més efectives. En este context, les cèl·lules mare mesenquimals (MSCs) i, especialment les seues vesícules extracelul·lars (EVs), han sorgit com a opcions prometedores per les seues propietats regeneratives, pro-angiogèniques i inmunomoduladores. No obstant això, el repte actual se centra en millorar l'eficàcia terapèutica de les EVs, ja siga millorant la seua biodisponibilitat en el teixit cardíac o potenciant les seues capacitats intrínseques, amb la finalitat de fer viable una teràpia basada en estes. En este treball, ens hem centrat en la millora de les EVs mitjançant la modificació genètica de les MSCs. Hem seguit dos enfocaments: la càrrega d'oncostatina M (OSM) en la superfície de les EVs i la sobreexpressió induïble del domini intracel·lular de Notch1 (N1ICD) juntament amb el factor induïble per hipòxia 1-alfa (HIF1A) en MSCs per a enriquir les EVs amb factors terapèutics, amb l'expectativa de millorar la seua eficàcia en el context de la isquèmia cardíaca. Els resultats obtinguts mostren que les EVs carregades amb OSM posseeixen propietats antifibròtiques superiors a les EVs natives, a més de reduir el dany cardíac provocat per la infusió d'isoproterenol in vivo. D'altra banda, la sobreexpressió de N1ICD i HIF1A actua a mode de precondicionament genètic afavorint la càrrega de diferents molècules terapèutiques en les EVs. Estes EVs han demostrat exercir efectes beneficiosos in vitro com la reducció de la fibrosi, la protecció dels cardiomiòcits i reducció de la hipertròfia, la disminució d'espècies reactives d'oxigen, i l'augment de l'angiogènesis. En l'estudi in vivo estes EVs van reduir el dany provocat per la infusió d'isoproterenol. En conclusió, hem generat dos tipus de EVs amb un potencial terapèutic superior a les EVs nadiues en el context de la patologia cardíaca. Este treball obri la porta al disseny de noves estratègies terapèutiques basades en EVs, abordant de manera integral els diversos aspectes de la malaltia cardíaca. / [EN] Ischemic heart disease, characterized by a lack of adequate oxygen delivery to the heart tissue, is a serious condition that can trigger acute myocardial infarction and contribute to the development of heart failure (HF). Despite current therapies, HF remains a disease with high morbidity and mortality, highlighting the need for more effective therapeutic strategies. In this context, mesenchymal stem cells (MSCs) and, especially their extracellular vesicles (EVs), have emerged as promising options due to their regenerative, pro-angiogenic and immunomodulatory properties. However, the current challenge focuses on improving the therapeutic efficacy of EVs, either by improving their bioavailability in cardiac tissue or by enhancing their intrinsic capabilities, in order to make a therapy based on them viable. In this work, we have focused on the improvement of EVs through genetic modification of MSCs. We have followed two approaches: loading of oncostatin M (OSM) on the surface of EVs and inducible overexpression of Notch1 intracellular domain (N1ICD) together with hypoxia-inducible factor 1-alpha (HIF1A) in MSCs to enrich EVs with therapeutic factors, with the expectation of improving its effectiveness in the context of cardiac ischemia. The results obtained show that OSM-loaded EVs have superior antifibrotic properties than native EVs, in addition to reducing cardiac damage caused by isoproterenol infusion in vivo. On the other hand, the overexpression of N1ICD and HIF1A acts as genetic preconditioning, favouring the loading of different therapeutic molecules in EVs. These EVs have been shown to exert beneficial effects in vitro such as reducing fibrosis, protecting cardiomyocytes and reducing hypertrophy, decreasing reactive oxygen species, and increasing angiogenesis. In the in vivo study, these EVs reduced the isoproterenol-induced myocardial damage. In conclusion, we have generated two types of EVs with a therapeutic potential superior to native EVs in the context of cardiac pathology. This work opens the door to the design of new therapeutic strategies based on EVs, comprehensively addressing the various aspects of heart disease. / Buigues Caravaca, M. (2024). Modificación genética de células estromales mesenquimales para potenciar la eficacia de las vesículas extracelulares en el ámbito de la terapia cardíaca [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/204408

[ES] Las células mesenquimales estromales (MSC) poseen una serie de cualidades inmunológicas, pro-angiogénicas y regenerativas que las convierten en un excelente candidato para el tratamiento de diversas patologías. A pesar de las pruebas contundentes obtenidas en modelos preclínicos que demuestran la actividad terapéutica de las MSC, los ensayos clínicos no han podido mostrar hasta ahora un beneficio consistente, probablemente debido a deficiencias metodológicas y a la falta de estandarización, así como a la variabilidad genética intrínseca a los estudios en humanos. Debido a ello, ha sido necesario profundizar en los mecanismos responsables del beneficio terapéutico y rediseñar las estrategias clínicas. En los últimos años, se ha observado que la reparación tisular mediada por las MSC se produce de forma paracrina, y se ha constatado que las vesículas extracelulares (EVs) secretadas por las MSC (EVMSC) son capaces de recapitular las propiedades inmunosupresoras de las células parentales. Además, las estrategias terapéuticas basadas en vesículas tienen grandes ventajas en términos de bioseguridad y producción en condiciones de grado clínico, reduciendo significativamente el coste de dichas terapias. Sin embargo, la dosis efectiva en grandes mamíferos, incluidos los humanos, es bastante elevada y la producción industrial de EVs se ve dificultada en parte, por la senescencia proliferativa que afecta a las MSC durante la expansión celular masiva. En este trabajo hemos intentado solventar los principales escollos de la terapia con EVs incrementando su potencial inmunosupresor y reduciendo por tanto la dosis efectiva. Este incremento se ha conseguido gracias a la sobreexpresión del factor inducible por hipoxia 1-alpha y al desarrollo de un medio de acondicionamiento en cultivo basado en citoquinas. Además, la inmortalización de las células secretoras mediante la transducción del gen de la telomerasa humana ha permitido tanto la estandarización del producto como su producción a gran escala. La eficacia de estas EVs ha sido testada en diferentes poblaciones celulares in vitro: linfocitos T, monocitos, células Natural Killer, macrófagos, células endoteliales y fibroblastos; y en dos modelos de ratón: hipersensibilidad retardada y colitis aguda inducida por TNBS. En conclusión, hemos desarrollado una fuente de EVs de larga duración que secreta grandes cantidades de vesículas con mayor capacidad inmunosupresora y antiinflamatoria, facilitando un producto terapéutico más estándar y fácil de producir para el tratamiento de enfermedades inflamatorias inmunomediadas. / [CA] Les cèl·lules mesenquimals estromals (MSC) posseeixen una sèrie de qualitats immunològiques, pro-angiogèniques i regeneratives que les converteixen en un excel·lent candidat per al tractament de diverses patologies. Tot i les proves contundents obtingudes en models preclínics que demostren l'activitat terapèutica de les MSC, els assaigs clínics no han pogut mostrar fins ara un benefici consistent, probablement degut a deficiències metodològiques i a la manca d'estandardització, així com a la variabilitat genètica intrínseca als estudis en humans. A causa d'això, ha calgut aprofundir en els mecanismes responsables del benefici terapèutic i redissenyar les estratègies clíniques. En els últims anys, s'ha observat que la reparació tissular intervinguda per les MSC es produeix de forma paracrina, i s'ha constatat que les vesícules extracel·lulars (EVs) secretades per les MSC (EVMSC) són capaços de recapitular les propietats immunosupressores de les cèl·lules parentals. A més, les estratègies terapèutiques basades en vesícules tenen grans avantatges en termes de bioseguretat i producció en condicions de grau clínic, reduint significativament el cost d'aquestes teràpies. No obstant això, la dosi efectiva en grans mamífers, inclosos els humans, és bastant elevada i la producció industrial de les EVs es veu dificultada en part, per la senescència proliferativa que afecta les MSC durant l'expansió cel·lular massiva. En aquest treball hem intentat solucionar els principals esculls de la teràpia amb EVs incrementant el seu potencial immunosupressor i reduint per tant la dosi efectiva. Aquest increment s'ha aconseguit gràcies a la sobreexpressió del factor induïble per hipòxia 1-alpha i a el desenvolupament d'un mitjà de condicionament en cultiu basat en citoquines. A més, la immortalització de les cèl·lules secretores mitjançant la transducció del gen de la telomerasa humana ha permès tant l'estandardització del producte com la seva producció a gran escala. L'eficàcia d'aquestes EVs ha estat testada en diferents poblacions cel·lulars in vitro: limfòcits T, monòcits, cèl·lules Natural Killer, macròfags, cèl·lules endotelials i fibroblasts; i en dos models de ratolí: hipersensibilitat retardada i colitis aguda induïda per TNBS. En conclusió, hem desenvolupat una font de EVs de llarga durada que secreta grans quantitats de vesícules amb major capacitat immunosupressora i antiinflamatòria, facilitant un producte terapèutic més estàndard i fàcil de produir per al tractament de malalties inflamatòries inmunomediades. / [EN] Mesenchymal stromal cells (MSC) possess several immunological, pro-angiogenic and regenerative qualities that make them an excellent candidate for the treatment of various pathologies. Despite compelling evidence from preclinical models demonstrating the therapeutic activity of MSCs, clinical trials have so far failed to show consistent benefit, probably due to methodological shortcomings and lack of standardisation, as well as the genetic variability intrinsic to human studies. As a result, it has been necessary to further investigate the mechanisms responsible for therapeutic benefit and to redesign clinical strategies. In recent years, it has been observed that MSC-mediated tissue repair occurs in a paracrine pathway, and it has been confirmed that extracellular vesicles (EVs) secreted by MSC (EVMSC) are able to recapitulate the immunosuppressive properties of the parental cells. Moreover, vesicle-based therapeutic strategies have great advantages in terms of biosafety and production under clinical-grade conditions, significantly reducing the cost of such therapies. However, the effective dose in large mammals, including humans, is quite high and the industrial production of EVs is hampered in part by the proliferative senescence that affects MSC during massive cell expansion. In this work, we have attempted to overcome the main challenges of EVs therapy by increasing their immunosuppressive potential and thus reducing the effective dose. This increase has been achieved by overexpression of hypoxia-inducible factor 1-alpha and the development of a cytokine-based culture conditioning medium. In addition, immortalization of secretory cells by transduction with the human telomerase gene has allowed both product standardisation and large-scale production. The efficacy of these EVs has been tested in different cell populations in vitro: T lymphocytes, monocytes, Natural Killer cells, macrophages, endothelial cells and fibroblasts; and in two mouse models: delayed-type hypersensitivity and TNBS-induced acute colitis. In conclusion, we have developed a long-lasting source of EVs that secretes large amounts of vesicles with enhanced immunosuppressive and anti-inflammatory capacity, providing a more standard and easier-to-produce therapeutic product for the treatment of immune-mediated inflammatory diseases. / Gómez Ferrer, M. (2022). Terapias innovadoras basadas en vesículas extracelulares derivadas de células madre mesenquimales modificadas genéticamente [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182560

[ES] Las intervenciones actuales utilizadas en el ámbito clínico durante el infarto agudo de miocardio (IAM) se centran en la revascularización de la zona isquémica. Entre dichas estrategias, la angioplastia coronaria, procedimiento por el cual se utiliza un catéter para desobstruir la arteria ocluida, es el método más utilizado. Sin embargo, se ha descrito este proceso (conocido como reperfusión) desencadena un daño adicional en el miocardio, por lo que la combinación de dicha intervención con moléculas cardioprotectoras resulta de gran interés para tratar de reducir el tamaño del infarto. El presente trabajo propone dos nuevas moléculas con el fin de precondicionar el área isquémica antes de la reperfusión en el contexto del IAM. La primera estrategia propuesta se ha basado en el aporte de un ácido graso (diDHA) en la zona isquémica antes de la reperfusión para tratar de reducir el estrés de los cardiomiocitos y el número de células muertas antes de la reperfusión. Además, se han sintetizado nanoconjugados basados en la unión covalente de diDHA a un unido covalentemente a un esqueleto polimérico (ácido poli-L-glutámico, PGA) con el fin de incrementar la estabilidad del diDHA y conseguir una liberación controlada de la molécula. Los resultados obtenidos mostraron que la formulación PGA-diDHA6.4 fue la más optimizada, mostrando un mejor efecto en el precondicionamiento de los cardiomiocitos antes de la reperfusión en términos de reducción de apoptosis, generación de especies reactivas de oxígeno y mantenimiento de la función mitocondrial in vitro. Además, dicho nanoconjugado también mostró un modesto efecto terapéutico cuando se administró en modelos in vivo de isquemia-reperfusión en ratas y cerdos, reduciendo el tamaño final de infarto respecto a los grupos control. La segunda estrategia terapéutica propuesta se ha centrado en aumentar el potencial terapéutico de las vesículas celulares de pequeño tamaño (SEV o exosomas) procedentes de medio condicionado de células madre estromales (MSC). Numerosos estudios han descrito el papel terapéutico de factores paracrinos secretados por las MSC, donde se incluyen tanto factores solubles como vesículas extracelulares (EV) y, en especial, SEV. Diversas estrategias, como la modificación genética o precondicionamiento de estas células, han sido utilizadas para aumentar el potencial terapéutico de las mismas. En este trabajo se ha propuesto la modificación genética de las MSC con el objetivo de enriquecer las SEV en proteínas de interés que pudiesen potenciar el efecto terapéutico de las SEV nativas. En base a estudios previos, donde se ha visto que la oncostatina-M (OSM) podría jugar un papel anti-fibrótico en el contexto del IAM, se decidió incorporar dicha proteína en la superficie de las SEV derivadas de MSC mediante su fusión con proteínas presentes de forma natural en la superficie de las SEV, con el objetivo de desencadenar una respuesta en las células diana. La modificación de la secuencia de la OSM y su fusión con la tetraspanina CD81 permitieron cargar de manera efectiva la OSM en la superficie de las SEV, y los resultados preliminares en fibroblastos ventriculares cardíacos mostraron un efecto funcional beneficioso con respecto a los SEV control y los enriquecidos en CD81, reduciendo la tasa de proliferación de las células en condiciones de ayuno, y modificando la expresión y la liberación de la proteína telo-Col1α1 en las células después de ser estimuladas con TGFβ-1, α-dextrano y ácido ascórbico-L-sulfato En resumen, dos nuevas estrategias terapéuticas avanzadas libres de células han sido propuestas en el presente trabajo, donde se han mostrado resultados preliminares prometedores para reducir el daño en el miocardio tras el IAM en términos de reducción de apoptosis de cardiomiocitos y de activación de fibroblastos car / [CA] Les intervencions actuals utilitzades en l'àmbit clínic durant l'infart agut de miocardi (IAM) se centren en la revascularització de la zona isquèmica. Entre aquestes estratègies, l'angioplàstia coronària, procediment pel qual s'utilitza un catèter per a desobstruir l'artèria oclosa, és el procés més utilitzat. No obstant això, s'ha descrit que aquest procés (conegut com a reperfusió) desencadena un mal addicional en el miocardi. En conseqüència, la combinació d'aquesta intervenció amb molècules cardioprotectores resulta de gran interés per a tractar de reduir la grandària de l'infart. El present treball proposa dues noves molècules amb potencial cardioprotector en el context del IAM. Com a primera estratègia terapèutica, s'ha proposat l'aportació d'un àcid gras (diDHA) a la zona isquèmica del miocardio abans de la reperfusió per a tractar de reduir l'estrés dels cardiomiocitos i el nombre de cèl·lules mortes abans de la reperfusió. A més, s'han sintetitzat nanoconjugats basats en la unió covalent de diDHA a un esquelet polimèric (àcid poli-L-glutàmic, PGA) amb la finalitat d'incrementar l'estabilitat del diDHA i aconseguir un alliberament controlat de la molècula. Els resultats obtinguts van mostrar que la formulació PGA-diDHA6.4 va ser la més efectiva, mostrant un millor efecte en el precondicionament dels cardiomiocitos abans de la reperfusió en termes de reducció d'apoptosi, generació d'espècies reactives d'oxigen i manteniment de la funció mitocondrial in vitro. A més, el nanoconjugat PGA-diDHA6.4 també va mostrar un modest efecte terapèutic quan es va administrar en models in vivo d'isquèmia-reperfusió en rates i porcs, reduint la grandària final d'infart respecte als grups control. La segona estratègia proposada s'ha centrat en potenciar l'efect terapèutic de vesícules extracelul·lars de xicoteta grandària (SEV o exosomes) que son secretades per cèl·lules mare estromales. Nombrosos estudis han descrit el paper terapèutic de factors paracrinos secretats per les MSC, on s'inclouen tant factors solubles com vesícules extracelul·lars (EV) i, especialment, les SEV. Diverses estratègies, com la modificació genètica o el precondicionament de les MSC, s'han estudiat per augmentar el potencial terapèutic d'aquestes cèl·lules. En aquest treball, es va pensar en la modificació genètica de les MSC amb l'objectiu d'enriquir les SEV en proteïnes d'interés que pogueren potenciar l'efecte terapèutic de les SEV natives. Sobre la base d'estudis previs, on s'ha vist que la oncostatina-M (OSM) podria jugar un paper anti-fibròtic en el context del IAM, es va decidir incorporar aquesta proteïna en la superfície de les SEV derivades de MSC mitjançant la seua fusió amb proteïnes presents de manera natural en la superfície de les SEV, amb l'objectiu de desencadenar una resposta en les cèl·lules diana. La modificació de la seqüència de la OSM i la seua fusió amb la tetraspanina CD81 van permetre carregar de manera efectiva la OSM en la superfície de les SEV, i els resultats preliminars en fibroblastos ventriculars cardíacs van mostrar un efecte funcional respecte als SEV control i els enriquits en CD81, reduint la taxa de proliferació de les cèl·lules en condicions de dejuni, i modificant l'expressió i la secreció de la proteïna telo-Col1α1 en les cèl·lules després de ser estimulades amb TGFβ-1, α-dextran i àcid ascòrbic-L-sulfat, simulant una activació dels fibroblastos in vitro. En resum, dues noves estratègies terapèutiques avançades lliures de cèl·lules han sigut proposades en el present treball, on s'han mostrat resultats preliminars prometedors per a reduir el mal en el miocardi després del IAM en termes de reducció d'apoptosi de cardiomiocitos i d'activació de fibroblastos cardíacs. / [EN] Current therapeutic approaches against acute myocardial infarction (AMI) are focused on myocardial ischemic zone revascularization. The most common strategy is called primary angioplasty, in which a catheter is introduced to unblock the affected artery and restore blood flux, in a process called reperfusion. Nevertheless, an additional injury on cardiac tissue is caused after reperfusion, and the combination of primary angioplasty with the use of cardioprotective molecules has emerged as a potential strategy to reduce cardiac tissue injury. Two new cell-free therapeutic strategies to preconditionate myocardial ischemic area before reperfusion have been proposed to reduce cardiac injury after AMI. The first therapeutic strategy proposed consisted on the input of a free fatty acid (di-docosahexaenoic acid, diDHA) covalently bound to a polymeric backbone (poly-L-glutamic acid, PGA) in order to increase diDHA solubility and stability and modulate its effect on target cells. Results showed that PGA-diDHA6.4 conjugate administration during ischemia protected cardiomyocytes from reperfusion-induced injury, as apoptotic number of cells and oxidative stress was reduced, and mitochondrial function was less affected when compared to untreated cells. In addition to this, PGA-diDHA6.4 also showed therapeutic effects when locally administered in an ischemia-reperfusion in vivo model in rats and pigs, where a modest reduction of area at risk was observed compared to control groups. The second cell-free strategy proposed in this work was focused on enhancing the therapeutic potential of small extracellular vesicles (SEV or exosomes) isolated form mesenchymal stromal cells (MSC) conditioned media. Previous studies have described the therapeutic potential of paracrine factors released by MSC, where both soluble factors and vesicular components are included. In particular, SEV have gained special attention. Several stretegies, such as genetic modification or cell preconditioning, have been tested to enhance the MSC therapeutic potential. In this work, it was proposed MSC genetic modification in order to load proteins of interest on SEV and potentiate its native therapeutic potential. Based on previous findings, where it has been described a potential anti-fibrotic role of oncostatin-M (OSM) in AMI context, we decided to incorporate OSM on SEV surface by its fusion to CD81 tetraspanin, a protein naturally loaded on SEV surface, in order to trigger functional effects on target cells. OSM sequence modification was necessary in order to load the protein on SEV surface efficiently, and preliminary data showed that modified OSM-CD81 loaded on SEV had a functional effect on human ventricular cardiac fibroblasts. Concretely, decrease of proliferation rate after starvation and telo-Collagen1α1 location pattern modification was observed after stimulation with a pro-fibrotic cocktail (containing TGFβ-1, α-dextran and ascorbic-L-acid sulphate) in vitro when cells were treated with modified OSM-CD81- SEV compared to ctrl and CD81-loaded SEV treatments. Overall, two new advanced cell-free therapies with preliminary promising results have been proposed in order to reduce myocardial injury after AMI in terms of cardiomyocytes apoptosis reduction and fibrosis mitigation. / Tejedor Gascón, S. (2021). Development of new advanced therapies to mitigate ischemia-reperfusion-induced injury during acute myocardial infarction [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/171487