Favorable outcome of engraftment of custom designed RADA16-I based hydrogels functionalized with SDF1 or IL4 mimicking peptides to injured or dystrophic muscles

Mimo że zdolność mięśni do regeneracji jest imponująca, w pewnych warunkach – takich jak rozległe uszkodzenia mięśni czy dystrofie mięśniowe – może ona okazać się niewystarczająca, co prowadzi do zaburzeń procesu naprawy, a w konsekwencji struktury i funkcjonowania mięśni. Wśród metod terapeutycznych rozważanych w takich przypadkach znajdują się rozwiązania łączące zastosowanie biomateriałów, komórek oraz dodatkowych, wyselekcjonowanych czynników. W niniejszej pracy po raz pierwszy oceniono potencjalne działanie in vivo opracowanych przez nas hydrożeli – opartych na hydrożelu RADA16-I i zmodyfikowanych peptydami naśladującymi działanie IL4 lub SDF1 – oraz sprawdzono, czy efekty te zależą od środowiska mięśnia szkieletowego (tj. stanu ostrego uszkodzenia lub stanu przewlekłego, występującego w dystrofii). Biorąc pod uwagę, że indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (iPSC) oraz ich pochodne są rozważane w terapii dysfunkcyjnych mięśni szkieletowych, wstrzykiwano do mięśni same hydrożele bądź hydrożele w połączeniu z mioblastami pochodzącymi z ludzkich komórek iPSC (hiPSC). Stwierdzono, że hydrożeli funkcjonalizowane peptydami naśladującymi SDF1 lub IL4 skutecznie wbudowały się w uszkodzone mięśnie, a obecność peptydów wywierała istotny, wspomagający wpływ na regenerację mięśni, co objawiało się lepszymi wynikami testów na bieżni oraz zwiększoną ekspresją markerów miogenezy, angiogenezy i neurogenezy. W modelu ostrego uszkodzenia efekty te uległy nasileniu po jednoczesnym wstrzyknięciu hydrożeli i mioblastów pochodzących z komórek hiPSC (w tym linii DMD). Zwiększoną ekspresję markerów miogenezy, neurogenezy i angiogenezy zaobserwowano również w mięśniach dystroficznych, jednak tylko w przypadku zastosowania hydrożeli funkcjonalizowanej peptydem SDF1. W tym środowisku przeszczepione komórki ulegały szybkiej eliminacji, zatem ich wstrzyknięcie nie miało wpływu na obserwowane efekty. Środowisko mięśnia (ostre uszkodzenie a stan dystroficzny/przewlekły) miało kluczowe znaczenie dla końcowego wyniku przeszczepu hydrożeli – zarówno podawanych samodzielnie, jak i w połączeniu z mioblastami pochodzącymi z hiPSC. Wynik ten był korzystny, lecz istotnie różnił się w obu modelach.

Although muscle regeneration capacity is remarkable, under some conditions, such as extensive muscle damage or muscular dystrophies, it may be insufficient, leading to impaired muscle repair and deficits in its structure and function. Among the treatments considered for such conditions are those combining the use of biomaterials, cells, and the addition of selected factors. In the current study we for the first time evaluated potential in vivo effects of hydrogels designed by us, based on RADA16-I hydrogel and modified with IL4 or SDF1 mimicking peptides, as well as verified whether such effects depend on the environment of skeletal muscle, i.e. acutely injured or dystrophic, i.e. chronic one. Since induced pluripotent stem cells (iPSCs) and their derivatives are considered for dysfunctional skeletal muscle therapies, we injected muscles with hydrogels only or with hydrogels and myoblasts derived from human iPSCs (hiPSCs). We found that hydrogels functionalized with SDF1 or IL4 mimicking peptides were successfully engrafted in injured muscles, and that peptide presence had a significant, supporting effect on muscle regeneration manifested by improved treadmill outcome, as well as enhanced expression of myogenesis, angiogenesis, and neurogenesis markers. In the acute injury model, these effects were elevated after co-injection of hydrogels and hiPSC-derived DMD myoblasts. An increased expression of markers of myogenesis, neurogenesis, and angiogenesis was also observed in dystrophic muscles, but only after treatment with an SDF1 functionalized hydrogel. In such an environment, transplanted cells were rapidly removed, so their injection had no influence on observed effects. The muscle environment (acute injury versus dystrophic/chronic) was crucial for the final outcome of hydrogel transplantation, injected alone or with hiPSC-derived myoblasts. This outcome was beneficial but significantly different in both models.