Acellular matrices as tool for renal progenitor differentiation studies and tissue engineering of blood vessels

AMs seem to be a very promising scaffold in TE and can be considered as temporary inductive site-appropriate templates to support the growth, differentiation, and function of the parenchymal cell population of each organ. Nowadays, TE techniques are used both to develop tissue substitutes ex vivo and as reliable tool to investigate cell behaviour, differentiation and proliferation in 3-dimentional environments. In this work the following two different projects have investigated both potentialities using tissue-specific AMs: 1- influence of AMs on differentiation of kidney progenitor cells from amniotic fluid into mature renal cells; 2- AMs as biomaterial to develop vessel substitutes. 1- Kidney AMs (KAMs) were used to evaluate the differentiation of kidney progenitor cells from amniotic fluid into mature renal cells in order to better understand whether they could be suitable for future application in therapy. Renal progenitors were seeded into KAMs, which led them to proliferate, maintain podocyte phenotype and differentiate into tubular cells in vitro. To further evaluate the differentiative potential of KAMs, grafts composed of KAM with or without cells were intrarenal implanted into nude mice. In vivo, progenitors from amniotic fluid expressed mature renal markers, attracted inside KAMs murine cells presenting the same proteins and integrated into host structures. 2- Although autologous vascular grafts and artificial materials have been used for reconstruction of small diameter (5 mm) blood vessels, the poor availability of vessels and the occurrence of intimal hyperplasia and progressive atherosclerotic degeneration represent shortcoming of these vascular prostheses. Therefore, this study aimed to develop AM-based vascular grafts. Both AAMs alone and AAMs previously reendothelized with skin microvascular endothelial cells (ECs) were in vivo implanted and analyzed. The lack of reendothelization, leading to intimal hyperplasia and increased incidence of thrombosis observed in AAMs grafts, have indicated the need to provide in vitro an endothelial coverage of decellularized tissue. Indeed, grafts composed of AAM and skin microvasculature ECs shown good patency and no thrombi. Although these grafts appeared narrowed and a moderate hyperplasia has been detected in the inner layer, they presented two main advantages: they were obtained into a clinically relevant time frame and eliminated the need to remove healthy vessels for collecting autologous ECs.

Le matrici acellulari rappresentano uno scaffold promettente per l’ingegneria tessutale. Infatti, la matrice extracellulare costituisce un supporto sito-specifico che favorisce la crescita e il differenziamento delle cellule di qualsiasi organo. Ad oggi, le tecniche dell’ingegneria tessutale sono utilizzate sia per lo sviluppo ex vivo di sostituti tessutali, che per studiare la proliferazione e la differenziazione delle cellule quando si trovano all’interno di uno scaffold tridimensionale. In questo lavoro di tesi, i due seguenti progetti sono andati a valutare entrambe le potenzialità di matrici acellulari tessuto-specifiche: 1- valutazione della capacità della matrice acellulare di indurre il differenziamento di progenitori renali da fluido amniotico in cellule renali mature; 2- valutazione della matrice acellulare per la sostituzione di vasi sanguigni. 1- La matrice acellulare renale è stata utilizzata per valutare la capacità differenziativa di progenitori renali da fluido amniotico in modo da valutarne una futura applicazione terapeutica. I progenitori renali sono stati seminati sulla matrice acellulare renale, che, in vitro, ne ha promosso la proliferazione, il mantenimento del fenotipo podocitario e la differenziazione in cellule tubulari. Per valutare in vivo il potenziale differenziativo di queste cellule, la matrice da sola o ripopolata con le cellule è stata impiantata all’interno di un rene di topo nudo. I progenitori renali si sono ulteriormente differenziati, si sono integrati all’interno delle strutture tubulari dell’ospite e hanno promosso la migrazione di cellule differenziate murine all’interno dello scaffold. 2- La matrice acellulare di aorta è stata utilizzata per lo sviluppo di sostituti vasali. Nonostante vasi autologhi o costituiti di polimeri sintetici vengano già utilizzati nella pratica clinica per la ricostruzione di vasi di piccolo diametro (5 mm), numerosi sono gli svantaggi legati al loro utilizzo, quali l’iperplasia della tonaca intima e la degenerazione arteriosclerotica. Lo scopo di questo studio è stato quello di sviluppare sostituti vasali utilizzando come scaffold vasi decellularizzati. Matrici acellulari da sole o ripopolate con cellule endoteliali da microcircolo sono state impiantate nell’aorta di ratto Lewis. Come osservato negli impianti di sola matrice acellulare, la mancanza della copertura endoteliale portava all’iperplasia dell’intima e all’aumento di incidenza dei processi trombotici, sottolineando la necessità di reendotelizzare in vitro il vaso decellularizzato prima dell’impianto in vivo. Infatti, i sostituti vasali costituiti da matrice acellulare e cellule endoteliali da microcircolo hanno dimostrato di avere una buona resistenza al flusso e non presentavano trombi al loro interno. Sebbene questi vasi fossero assottigliati e mostrassero una leggera iperplasia della tonaca intima, questo approccio presentava due principali vantaggi: permetteva di ottenere sostituti vasali in un tempo clinicamente utile ed eliminava la necessità di rimuovere vasi sani per ottenere cellule endoteliali autologhe.