Synthetic scaffolds as matrices for 3D cardiomyocyte culture

Abstract

Cardiovascular diseases, including coronary artery disease and myocardial infarction (MI), account for approximately 33 % of global deaths according to the American Heart Association. MI, a major cause of heart failure, leads to loss of cardiac tissue and impaired ventricular function, necessitating progressive ventricular remodeling and myocyte rearrangement. To address this, bio-manufacturing of therapeutic cells has become crucial. Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs), capable of differentiating into cardiomyocytes, often require scaffolds for growth in-vitro, though scaffold removal can affect cell phenotype. Our research introduces a 3-dimensional, thermo-responsive, transparent terpolymer scaffold synthesized from N-isopropylacrylamide (NiPAAm), vinylphenylboronic acid (VPBA), and polyethylene glycol monomethyl ether monomethacrylate (PEGMMA) using free radical polymerization. This terpolymer was characterized using Rheometry and Dynamic Light Scattering (DLS) to determine its thermal and mechanical properties, including Low Critical Solution Temperature (LCST) and terpolymer stiffness across concentration and blend conditions. Our findings confirm the scaffold's suitability at 37 °C for iPSC culture, ensuring biocompatibility and non-cytotoxicity. iPSCs grown on these scaffolds-maintained pluripotency and proliferation rates comparable to standard matrices like Matrigel®. Differentiated cardiomyocytes on this hydrogel exhibited crucial markers (cTnT and cTnI) and metabolic functions aligned with standards, suggesting its utility in cardiac tissue engineering, disease modeling, and drug screening, thereby advancing regenerative medicine and personalized therapies for heart conditions.

Las enfermedades cardiovasculares, incluyendo la enfermedad coronaria y el infarto de miocardio (MI), representan aproximadamente el 33% de las muertes globales según la Asociación Americana del Corazón. El MI, una causa principal de insuficiencia cardíaca, conduce a la pérdida de tejido cardíaco y al deterioro de la función ventricular, lo que requiere un remodelado ventricular progresivo y reorganización de los miocitos. Para abordar esto, la biofabricación de células terapéuticas se ha vuelto crucial. Las Células Madre Pluripotentes Inducidas (iPSCs), capaces de diferenciarse en cardiomiocitos, a menudo requieren andamios para su crecimiento in-vitro, aunque la eliminación del andamio puede afectar el fenotipo celular. Nuestra investigación introduce un andamio de terpolímero tridimensional, termo-responsivo y transparente, sintetizado a partir de N-isopropilacrilamida (NiPAAm), ácido vinilfenilborónico (VPBA) y metacrilato de monoéter monometílico de polietilenglicol (PEGMMA) mediante polimerización de radical libre. Este terpolímero fue caracterizado utilizando técnicas reométricas y de Dispersión Dinámica de Luz (DLS) para determinar sus propiedades térmicas y mecánicas, incluyendo la Temperatura Crítica de Solución Baja (LCST) y la rigidez del terpolímero en diferentes concentraciones y combinaciones. Nuestros hallazgos confirman la idoneidad del andamio a 37 °C para el cultivo de iPSCs, asegurando su biocompatibilidad y citocompatibilidad. Las iPSCs cultivadas en estos andamios mantuvieron tasas de pluripotencia y proliferaciones comparables a matrices estándar como Matrigel®. Los cardiomiocitos diferenciados en este hidrogel mostraron marcadores cruciales (cTnT y cTnI) y funciones metabólicas alineadas con los controles, sugiriendo su utilidad en la ingeniería de tejidos cardíacos, modelado de enfermedades y búsqueda de fármacos, avanzando así la medicina regenerativa y las terapias personalizadas para condiciones cardíacas.