Gelation study of extracellular matrix digestion products for tissue engineering

Os implantes utilizados para regeneração tecidual ainda falham na tentativa de mimetizar as propriedades da matriz extracelular (ECM), o que compromete a viabilidade e aplicabilidade do material. Além disso, permanece o desafio de desenvolver um método de aplicação minimamente invasivo para evitar danos teciduais adicionais (Badylak et al., 2015; Crapo et al., 2011; Xing et al., 2014). Assim, o objetivo do projeto é desenvolver um hidrogel injetável composto de ECM de pericárdio, tendão e osso bovino enzimaticamente digerida e reticulada com glutaraldeído, ésteres ativados de NHS e derivados de polietilenoglicol (PEG). O protocolo de digestão foi modificado de Willians (Williams et al., 2015), utilizando tripsina, pepsina e colagenase. A quantificação de GAGs e peptídeos mostrou que, independentemente do substrato e enzima utilizados, o processo em etapas gerou uma maior concentração de estruturas em relação ao processo contínuo. Adicionalmente, a análise de dicroísmo circular mostrou que o processo em etapas preservou mais estruturas secundárias. O perfil proteico das ECMs foi analisado como descrito em Flores (Flores et al., 2016), e foi verificado que ele é altamente diverso e tecido - específico. A ECM do pericárdio possui 94 tipos diferentes de proteínas, seguidas pela ECM do tendão (48) e pela ECM óssea (35), sendo o colágeno α1 (1) e o colágeno α2 (1) presentes em todas elas. Além disso, os produtos digeridos ECMp aumentaram a proliferação e diferenciação de células-tronco mesenquimais da medula óssea a osteoblastos maduros. A cinética do processo de gelificação, bem como as propriedades mecânicas do gel são dependentes do tipo de agente reticulante, assim como da concentração da gelatina. Este novo material é altamente personalizável e adaptável à aplicação biológica desejada.The implants used for tissue regeneration still fail to mimic properties of extracellular matrix. It compromises the material viability and applicability. Furthermore, the challenge to manufacture a minimally invasive delivery system for it to avoid extra tissue damage still remains (Badylak et al., 2015; Crapo et al., 2011; Xing et al., 2014). Thus, the project goal is to develop an injectable hydrogel composed of pericardium, tendon and bovine bone ECM enzymatically digested and crosslinked with glutaraldehye, activated esters of NHS and polyethylene glycol (PEG) derivatives. The digestion protocol was modified from Willians (Williams et al., 2015), using trypsin, pepsin and collagenase as lytic enzymes. GAGs and peptides quantification showed that regardless of the substrate and enzyme, the stepwise process yields a higher amount of GAGs and peptides in comparison with the continuous process. In addition, circular dicroism analysis showed that the stepwise process preserves more secondary structures of proteins. ECMs protein profile was analyzed as in Flores (Flores et al., 2016) and verified that it is the highly diverse and tissue-specific. Pericardium ECM has 94 different types of proteins, followed by tendon ECM (48) and bones ECM (35), being collagen α1(1) and collagen α2(1) present in all of them. Furthermore, the ECMp digested products enhanced bone marrow mesenchymal stem cells proliferation and differentiation in mature osteoblast. The kinetics of the gelification process, as well as mechanical properties of the gel is dependent of the type of crosslinker and concentration of gelatin. This new material is highly customizable and adaptable to the biological application