Biohybrids for Neural Tracts Regeneration

Abstract

[ES] Las lesiones del sistema nervioso que implican la interrupción de haces axonales son devastadoras para el individuo. La regeneración autónoma de los tractos axonales dañados o degenerados es poco frecuente, ya que intervienen una gran cantidad de factores que limitan esta recuperación. Hoy en día, la medicina convencional no cuenta con tratamientos efectivos y exitosos para estas lesiones, y el tratamiento de los síntomas suele ser la mejor solución. Para revertirlo y lograr la reconexión funcional de las neuronas, la ingeniería de tejidos actualmente opta por el uso de soportes tridimensionales biocompatibles, células y moléculas bioactivas. Específicamente, una de las estrategias propuestas han sido los conductos nerviosos guiados, no solo para lesiones de nervios periféricos sino también para tractos del sistema nervioso central. En esta Tesis Doctoral, se propone la combinación de un conducto tubular hueco de ácido hialurónico (HA) relleno con fibras de ácido poli-L-lactida (PLA) en su lumen, y con células de Schwann (SC) pre-cultivadas como células de soporte de la extension axonal para superar los obstáculos que limitan la regeneración de axones in vivo. Se ha demostrado que el conducto de HA y las fibras de PLA mantienen la proliferación de las SC, las cuales forman una estructura cilíndica denominada 'vaina de SC' en la pared interna del lumen del conducto y a su vez crecen de forma direccional en las fibras de PLA. El conjunto unidireccional paralelo formado por las fibras PLA y las SC recapitula las características direccionales de los tractos axonales en el sistema nervioso. Al sembrar un explante de ganglio de la raíz dorsal (DRG) en uno de los extremos del conducto, se ha conseguido el crecimiento de los axones del DRG y se ha estudiado las características de las SC, los axones crecidos y su asociación, comprobando que el biohíbrido es capaz de soportar el crecimiento axonal. Además, se propone un concepto multimodular para superar las limitaciones típicas de la regeneración axonal a larga distancia, con la combinación de haces de fibras de PLA en el lumen de varios conductos o módulos de HA individuales más cortos que se posicionan uno detrás del otro, diseñando conductos nerviosos guiados con la longitud deseada, junto con SC pre-cultivadas. El conducto multimodular demostró ser eficaz para promover el crecimiento dirigido de axones. Además, se ha desarrollado un constructo compuesto por la estructura formada por las fibras de PLA y las SC, denominado 'cordón neural', tras eliminar el conducto de HA, lo que abre la puerta a la generación de una estructura neural in vitro para su trasplante.

[CA] Les lesions de el sistema nerviós que impliquen la interrupció de feixos axonals són devastadores per a l'individu. La regeneració autònoma dels tractes axonals danyats o degenerats és poc freqüent, ja que intervenen una gran quantitat de factors que limiten aquesta recuperació. Avui dia, la medicina convencional no compta amb tractaments efectius i reeixits per aquestes lesions, i el tractament dels símptomes sol ser la millor solució. Per revertir i aconseguir la reconnexió funcional de les neurones, l'enginyeria de teixits actualment opta per l'ús de suports tridimensionals biocompatibles, cèl·lules i molècules bioactives. Específicament, una de les estratègies proposades han estat els conductes nerviosos guiats, no només per lesions de nervis perifèrics sinó també per tractes de sistema nerviós central. En aquesta tesi doctoral, es proposa la combinació d'un conducte tubular buit d'àcid hialurònic (HA) farcit amb fibres d'àcid poli-L-lactida (PLA) en el seu lumen, i amb cèl·lules de Schwann (SC) pre-cultivades com a cèl·lules de suport de l'extension axonal per superar els obstacles que limiten la regeneració d'axons in vivo. S'ha demostrat que el conducte d'HA i les fibres de PLA mantenen la proliferació de les SC, les quals formen una estructura cilíndica anomenada 'beina de SC' a la paret interna de l'lumen de l'conducte i al seu torn creixen de manera direccional en les fibres de PLA. El conjunt unidireccional paral·lel format per les fibres PLA i les SC recapitula les característiques direccionals dels tractes axonals en el sistema nerviós. A l'sembrar un explantament de gangli de l'arrel dorsal (DRG) en un dels extrems de l'conducte, s'ha seguit el creixement dels axons de l'DRG i s'ha estudiat les característiques de les SC, els axons crescuts i la seva associació, comprovant que el biohíbrido és capaç de suportar el creixement axonal. A més, es proposa un concepte multimodular per superar les limitacions típiques de la regeneració axonal a llarga distància, amb la combinació de feixos de fibres de PLA en el lumen de diversos conductes o mòduls de HA individuals més curts que es posicionen un darrere l'l'altre, dissenyant conductes nerviosos guiats amb la longitud desitjada, juntament amb SC pre-cultivades. El conducte multimodular va demostrar ser eficaç per promoure el creixement dirigit d'axons. A més, s'ha desenvolupat un constructe format per l'estructura formada per les fibres de PLA i les SC, denominat 'cordó neural', després d'eliminar el conducte d'HA, el que obre la porta a la generació d'una estructura neural in vitro per al seu trasplantament.

[EN] Injuries to the nervous system that involve the disruption of axonal bundles are devastating to the individual. Autonomous regeneration of damaged or degenerated axonal tracts is infrequent since a large number of factors are involved limiting this recovery. Nowadays, conventional medicine does not have effective and successful treatments for these injuries, and the treatment of symptoms is often the best solution. In order to reverse it and achieve the functional reconnection of neurons, tissue engineering currently opts for the use of biocompatible three-dimensional supports, cells, and bioactive molecules. Specifically, one of the proposed strategies has been nerve guidance conduits, not only for peripheral nerve injuries but also for tracts of the central nervous system. In this Doctoral Thesis, we propose the combination of hyaluronic acid (HA) single-channel tubular conduit filled with poly-L-lactide acid (PLA) fibres in its lumen, with pre-cultured Schwann cells (SC) as cells supportive of axon extension to overcome the obstacles limiting axon regeneration in vivo. We have proved that HA conduit and PLA fibres sustain the proliferation of SC, which form a cylindrical structure named 'SC sheath' on the inner wall of the lumen of the conduit and in turn grow directionally in the PLA fibres. The parallel unidirectional ensemble formed by PLA fibres and SC recapitulates the directional features of axonal pathways in the nervous system. Planting a dorsal root ganglion (DRG) explant on one of the conduit's ends, we have followed axon outgrowth from the DRG and studied the features of SC, the grown axons and their association, checking that the biohybrid is capable of supporting axonal growth. Furthermore, we propose a multimodular concept to overcome the typical limitations of long-distance axonal regeneration, with the combination of PLA fibres bundle in the lumen of several shorter individual HA conduits or modules which positioned themselves one behind the other, designing nerve guided conduits with the desired length, together with pre-cultured SC. The multimodular conduit proved effective in promoting directed axon growth. Moreover, we developed a construct consisting of the structure formed by the PLA fibres and the SC, named 'neural cord', after eliminating the HA conduit, that opens the door to the generation of a neural structure in vitro for transplantation.