Effects of collagen matrix architecture in different biomedical applications

Abstract

The extracellular matrix (ECM) is one critical component of the tissue microenvironment that regulates many cellular functions, providing biochemical and biomechanical cues for tissue development and function. Collagen is one of the most abundant components of the ECM, where several studies have shown that changes to the collagen matrix architecture are hallmarks of cancer progression and cell differentiation. As such, the identification and integration of ECM components is critical for assessment of cell function and modeling of diseases using in vitro models, the closer we can mimic these environments in vitro, the higher the likelihood of predicting cell function and responses observed in vivo. Several physical parameters of the ECM have been shown to impact cell behavior. The fibrous architecture and organization are one of the least represented structural aspects of the ECM in culture platforms. One of the limitations of integrating fibrous network matrix into in vitro model is precisely controlling key parameters that modulate cell adhesion, migration, and differentiation, such as fiber orientation, porosity, diameter, and stiffness. In this project, to tackle these challenges we developed and characterized collagen I fibrous substrates of defined orientation with specific diameter, stiffness, and porosity, for culture applications. The impact of these substrates was examined at the cell level in the following models: i) hormone-independent growth of breast cancer cells, ii) Hedgehog (Hh) signaling pathway activity in mesenchymal cells, and iii) cell differentiation and potency of induced-Pluripotent stem cell (iPSCs Electrospinning process was optimized, obtaining collagen fibers with random and aligned orientation, with similar diameter and stiffness. In vitro experiments of MCF-7 and T-47D cells cultured in collagen fibers showed hormone-independent growth that was driven by a cell-matrix signal such α2β1 integrin. Interactions of Adipose Mesenchymal Stem Cells with collagen fibers decreased tumor growth, opposite behavior with the presence of Fibroblasts, therefore, fibroblasts area determinant factor to increase proliferation of Triple-Negative Breast Cancer. In cardiac studies, Collagen fibers with fibronectin coating generate the best outcomes with the highest percentage of the differentiated and mature cardiomyocytes. In general, results highlight that cells can perceive changes in the structure and orientation of collagen fibers and support the use of these substrates for prototyping of culture platforms.

La matriz extracelular, por sus siglas en inglés (ECM) es un componente critico del microambiente del tejido que regula muchas funciones, proporcionando señales bioquímicas y biomecánicas para el desarrollo y funcionamiento de los tejidos. Colágeno es uno de los componentes mas abundantes de la matriz celular, muchos estudios han demostrado que cambios en la arquitectura de la matriz de colágeno son características de la progresión del cáncer y la diferenciación celular. Como tal, la identificación e integración de componentes de la ECM es critica para la evaluación de función celular y modelado de enfermedades usando modelos in vitro. Muchos parámetros físicos de la ECM han demostrado su impacto en el comportamiento celular. Por ejemplo, alta rigidez del colágeno como resultado del aumento de la densidad de la matriz se ha correlacionado con un mal pronóstico del cáncer de seno, donde la ECM se remodela para apoyar el crecimiento del tumor. Del mismo modo, se ha demostrado que altos niveles de orientación de las fibras mejoran la invasión celular y polarización en varios modelos de enfermedades. La arquitectura y organización fibrosa son de los aspectos estructurales menos representados de la ECM en las plataformas de cultivo. Una de las limitaciones de integrar la matriz fibrosa en modelos in vitro es controlar con precisión parámetros clave que modulan la adhesión celular, la migración y la diferenciación, como la orientación de las fibras, porosidad, diámetro y rigidez. En este proyecto desarrollamos y caracterizamos sustratos fibrosos de colágeno tipo I de orientación definida con diámetro, rigidez y porosidad específica, para aplicaciones de cultivo celular. El impacto de estos sustratos se examinó a nivel celular en los siguientes modelos: i) crecimiento independiente de hormonas de células de cáncer de seno, ii) actividad de cascadas de señalización de Hedgehog (Hh) en células mesenquimales, y iii) diferenciación celular y potencia de células madre pluripotentes inducidas (iPSCs). Se optimizó el proceso de electrospinnig, obteniendo fibras de colágeno con orientación aleatoria y alineada, con diámetro y rigidez similares. Los experimentos in vitro de células MCF-7 y T-47D cultivadas en fibras de colágeno mostraron un crecimiento independiente de hormonas que fue impulsado por una señal de matriz celular tal como la integrina α2β1. Las interacciones de las células madres mesenquimales adiposas con fibras de colágeno disminuyeron el crecimiento tumoral, mientras que se observó el comportamiento opuesto con la presencia de fibroblastos, por lo tanto, los fibroblastos representan un factor determinante en el aumento de la proliferación de cáncer de seno triple negativo. En estudios cardíacos, las fibras de colágeno con recubrimiento de fibronectina generaron el mayor porcentaje de cardiomiocitos y cardiomiocitos maduros. En general, los resultados destacan que las células pueden percibir cambios en la estructura y orientación de las fibras de colágeno y respaldan el uso de estos sustratos para la creación de prototipos de plataformas de cultivo.