Development of integrin-guided substrates to support cardiac cell manufacturing applications

Abstract

Human-induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hiPSC-CMs) are a potential cell therapy due to their ability to recover contractile function after myocardial infarction. Despite their therapeutic potential manufacture barriers have limited their progress towards pre-clinical assays Current standard methods have inconsistent cardiac cell yields and low maturation levels which increases the number of viable cells needed per dose. Also, transferred differentiated cells have reported low cell attachment levels (<60%) and viability (<70%) which further impairs achieving high therapeutic potency. In tissues, changes of the extracellular matrix (ECM) guide the differentiation and maturation process during cardiac development. The evolution of the ECM is accompanied with shifts in the integrin expression levels suggesting that ECM-integrin interactions are key mediators of cardiac cell differentiation and potency.

Given the known role of integrins in supporting cell adhesion and survival, it is hypothesized that the use of ECM components tuned with the integrin expression in differentiating cardiac cells will improve cell maturation and recovery during the cell manufacture process. In this study, the integrin expression profile was mapped across the cardiac cell differentiation stages to identify ECM components for examination of cardiac cell yields and potency. WTC-11 hiPSCs were cultured in selected combinations of ECM proteins at different stages of cardiac development for examination of cardiac cell yields and potency or cultured as differentiated cells in suspension with selected media supplements for assessment of cell survival and recovery. Results showed that integrins associated to RGD-rich components were favored during early differentiation and integrins associated to collagen I were more prominent at the cardiac progenitor and differentiated stages. The sequential use of Vitronectin during early differentiation followed by collagen I at the progenitor stage significantly increased cTNT and cTNI cell yields by 2 and 3 folds respectively compared to the standard method in Matrigel®. Also, the use of Collagen I and non-cell adherent media supplements were found to maintain viability levels above 70% for up to 5 days in ambient temperature. This study supports the potential of ECM-integrin-guided substrates in guiding the cardiac cell differentiation, maturation, and recovery process for cell manufacturing applications.

Los cardiomiocitos derivados de células madre pluripotentes inducidas por humanos (hiPSC-CM por sus siglas en inglés) tienen un potencial para terapias celulares por su capacidad para restaurar la función contráctil después de un infarto de miocardio. A pesar del potencial terapéutico, las barreras en su fabricación han limitado su progreso hacia ensayos preclínicos. Métodos actuales para la producción de células cardiacas tienen rendimientos inconsistentes de células cardiacas y bajos niveles de maduración, lo que aumenta el número de células viables necesarias por dosis. También, células diferenciadas transferidas han reportado niveles bajos de adherencia celular (<60%) y viabilidad (<70%), dificultando encontrar alto potencial en las terapias. En los tejidos, los cambios de la matriz extracelular (ECM por sus siglas en inglés) guían el proceso de diferenciación y maduración durante el desarrollo cardíaco. La evolución de la ECM va acompañada de cambios en los niveles de expresión de integrina, lo que sugiere que las interacciones entre la ECM y la integrina son mediadores clave en la diferenciación y la potencia de las células cardíacas. Dado la función conocida de las integrinas en apoyar la adhesión y supervivencia celular, se plantea la hipótesis de que el uso de componentes de ECM pareados con la expresión de integrina en la diferenciación de células cardíacas mejorará la maduración y recuperación celular durante el proceso de fabricación celular. En este estudio, los cambios en la expresión de la integrina se perfilaron a lo largo de las etapas de diferenciación de las células cardíacas para identificar los componentes de la ECM para la examinación de los rendimientos y la potencia de las células cardíacas. Las hiPSC WTC-11 se cultivaron en combinaciones seleccionadas de proteínas ECM en diferentes etapas del desarrollo cardíaco para examinar el rendimiento y la potencia de las células cardíacas o se cultivaron como células diferenciadas en suspensión con suplementos de medios seleccionados para evaluar la supervivencia y recuperación celular. Los resultados mostraron que las integrinas asociadas a componentes ricos en RGD se vieron favorecidas durante las etapas de diferenciación temprana y las integrinas asociadas al Colágeno I fueron más prominentes en las etapas progenitora cardiaca y diferenciada. El uso de Vitronectina durante la diferenciación temprana seguido por Colágeno I en la etapa progenitora aumentó significativamente los rendimientos de células cTNT y cTNI en 2 y 3 veces respectivamente en comparación con el método estándar usando Matrigel®. Además, se descubrió que el uso de Colágeno I y suplementos de medios que impiden la adherencia de las células mantiene los niveles de viabilidad por encima del 70 % durante un máximo de 5 días a temperatura ambiente. Este estudio respalda el potencial de los sustratos guiados por integrina de la ECM para dirigir el proceso de diferenciación, maduración y recuperación de células cardíacas para aplicaciones de fabricación de células.