IGF-1 enhances the osteogenic activity of BMP-6 in vitro and in vivo

Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) is widely used in orthopedic surgery and bone tissue engineering because of its strong osteogenic activity. However, BMP-2 treatments have several drawbacks and alternatives are being explored. Since BMP-6 has been demonstrated to be more osteoinductive, its use, either alone or together with other cytokines, might be an interesting option. We have compared the effect of BMP-2, BMP-6, or insulin-like growth factor-1 (IGF-1), either alone or in combination. MC3T3-E1 cells were treated with IGF-1 and/or of BMP-2 or -6 and the expression of osteogenic genes, proliferation and alkaline phosphatase (ALP) activity in vitro were analyzed. The results showed that IGF-1 greatly enhanced the BMP-induced osteogenic differentiation of these cells and that the ALP activity in the cultures was higher when the combination was made with BMP-6 than with BMP-2. Other in vitro experiments showed that the osteogenic effect of these combinations can be modulated controlling the sequential administration of the growth factors. Furthermore, we have tested the osteogenic potential of these treatments in vivo by loading them onto absorbable collagen sponges which were implanted into an ectopic bone formation model in rats. These experiments revealed that only BMP-6 was able to induce bone formation at the used dose and that the addition of IGF-1 contributed to an increase of the mineralization in the implants. Hence, the combination of BMP-6 with IGF-1 might be a better alternative than BMP-2 for orthopedic surgery and bone tissue engineering approaches with potential application through using controlled delivery systems.Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

In vivo and In vitro cartilage differentiation from embryonic epicardial progenitor cells

The presence of cartilage tissue in embryonic and adult hearts of various vertebrate species is a well-recorded fact. However, while the embryonic neural crest has been historically considered as the main source of cardiac cartilage, recently reported results on the wide connective potential of epicardial lineage cells suggest they could also differentiate into chondrocytes. During heart embryogenesis, the epicardial epithelium forms over the originally bare myocardial surface from epicardial progenitor (proepicardial) cells to then give rise to a large population of mesenchymal Epicardial-Derived Cells (EPDCs) that will crucially contribute to the building, growth, and maturation of the ventricle and atrioventricular cardiac structures. In this work, we describe the formation of cardiac cartilage clusters from proepicardial cells, both in vivo and in vitro. Our findings report, for the first time, cartilage formation from epicardial progenitor cells in the embryonic heart, and strongly support the concept of proepicardial cells as multipotent connective progenitors. These results are relevant to our understanding of cardiac cell complexity and responses to pathologic stimuli.Universidad de Málaga (UMA18-FEDERJA-146). Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech; Ministerio de Educación (FPU18/05219); Ministerio de Ciencias (RTI2018-095410-B-I00); ISCIII-RETICs (RD16/0011/0030); Consejería de Salud y Familias, Junta de Andalucía (PIER-0084-2019) Universidad de Málaga. Campus de Excelencia Internacional Andalucía Tech

Diseño de nuevas estrategias moleculares para la funcionalización de colágeno tipo I en ingeniería tisular ósea

Por el contrario, la sustitución de la BMP-2 por BMP-6 sí resultó ventajosa. Además, la adición de IGF-1 mejoró sustancialmente la diferenciación osteoblástica de células precursoras inducida por BMP-6, y su efecto fue mayor que cuando se combinó con BMP-2. Al analizar la osificación ectópica in vivo, se observó que únicamente BMP-6 fue capaz de inducir la formación de hueso a las dosis utilizadas y que la adición de IGF-1 contribuyó significativamente a la mineralización de los implantes. Por tanto, se pudo concluir que la combinación de BMP-6 e IGF-1 puede ser una alternativa interesante a la BMP-2 para aplicaciones en el campo de la cirugía ortopédica. Por último, se demostró que la administración secuencial de BMP-6 seguida de IGF-1 puede incrementar el potencial de esta combinación de factores para inducir la diferenciación osteoblástica de células precursoras, frente a la administración simultánea. En este sentido, la Tesis Doctoral incluye una serie de experimentos prospectivos para tratar de obtener un biomaterial capaz de conseguir una cinética de liberación adecuada de estos factores. El desarrollo de futuros sistemas que permitan controlar los patrones de liberación in vivo de BMP-6 e IGF-1 podría permitir el diseño de estrategias de ingeniería tisular más eficientes y con costes más bajos que las terapias alternativas convencionales como el sistema colágeno-BMP-2.El colágeno tipo I, funcionalizado con proteína morfogenética de hueso 2 (BMP-2), es un biomaterial ampliamente utilizado en ingeniería tisular y cirugía ortopédica como alternativa al implante de hueso autólogo en los casos que lo requieran. Sin embargo, las altas dosis de BMP-2 necesarias no sólo incrementan los costes de estos tratamientos, sino que pueden desencadenar efectos adversos en los pacientes. Por estos motivos, la ingeniería tisular está a la búsqueda de alternativas para reducir las dosis de BMP empleadas actualmente. En este sentido, en la presente Tesis Doctoral se plantearon dos alternativas diferentes para funcionalizar esponjas de colágeno tipo I comerciales (Helistat®) con el objetivo de aumentar su capacidad de inducir la formación de hueso: 1) el empleo de péptidos biomiméticos (secuencias RGD y/o PHSRN) derivados de la molécula de la matriz extracelular fibronectina y provistos de dominios con afinidad por el colágeno; 2) combinaciones de BMP-6 y el factor de crecimiento insulínico 1 (IGF-1), como alternativa a la BMP-2. Para evaluar la efectividad de estos tratamientos se estudió ampliamente su capacidad de promover la diferenciación osteoblástica de células madre mesenquimales in vitro y su potencial de inducir la formación de hueso in vivo en un modelo de osificación ectópica en ratas. A la vista de los resultados obtenidos se pudo concluir que la cofuncionalización de las esponjas de colágeno empleadas con los dos péptidos biomiméticos dio lugar a un incremento de la adhesión de células al material, aunque no supuso un aumento significativo de su diferenciación osteoblástica ni consiguió mejorar los niveles de osificación ectópica inducida por BMP-2 in vivo

In Vivo and In Vitro Cartilage Differentiation from Embryonic Epicardial Progenitor Cells

The presence of cartilage tissue in the embryonic and adult hearts of different vertebrate species is a well-recorded fact. However, while the embryonic neural crest has been historically considered as the main source of cardiac cartilage, recently reported results on the wide connective potential of epicardial lineage cells suggest they could also differentiate into chondrocytes. In this work, we describe the formation of cardiac cartilage clusters from proepicardial cells, both in vivo and in vitro. Our findings report, for the first time, cartilage formation from epicardial progenitor cells, and strongly support the concept of proepicardial cells as multipotent connective progenitors. These results are relevant to our understanding of cardiac cell complexity and the responses of cardiac connective tissues to pathologic stimuli