Experimental study using biophysical stimulation based on ultrasound and electromagnetic fields for myogenic development of murine myoblasts

Approximately forty percent of the mass of the human adult is composed of muscle tissue. Muscles play a key role in locomotion, body metabolism regulation, and basic daily activities [1]. Generally, the muscle tissue is categorized into three principal families: skeletal, smooth, and cardiac. In particular, the skeletal muscle tissue has a stable cellular population, so this number must be restored when an injury occurs. In the case of small injuries, the muscle’s intrinsic self-repairment ability can handle the healing procedure, ensuring continuity and the same biomechanical features between the injured and non-injured parts. However, in severe ruptures due to various causes like traumas, tumour ablation, or muscular disease, a volumetric muscle loss (VML) with scar tissue formation, can be observed in the muscle. The treatments adopted to heal this type of strains are typically surgical or purely based on field experiences. Thus, skeletal muscle tissue engineering (SMTE) is an arising research field that uses different approaches with the aim to mimic the native tissue and to restore the original muscle’s conditions. The SMTE allows facing not only severe injuries caused by extrinsic factors but also the muscular deficits given by genetic disorders like Duchenne’s dystrophy. In this study, based on Vanderburgh’s and Thorrez’s lab work [2], different types of stimulations applied to bioartificial muscles (BAMs) have been evaluated by using in vitro approaches. In particular, the different phases of the myogenic development, proliferation, differentiation, and maturation, have been studied, being these necessary to improve the production of engineered scaffolds within a reasonable quality for ensuring the healing process. The C2C12 murine myoblast immortalized cell line was chosen, as they represent a well-known model for the in vivo process characterization. These cells were studied in their interactions with biomaterials like fibrin, gelatin and its modifications to build up the bioartificial muscles (BAMs). Subsequently, the BAMs were stimulated in US (ultrasound) or EM (electromagnetic) bioreactors or with both. This thesis work represents an application of these stimulations little explored in the SMTE field.

Studio sperimentale con stimolazioni biofisiche ad ultrasuoni e campi elettromagnetici applicate nello sviluppo miogenico di mioblasti murini. Circa il quaranta per cento della massa del corpo umano è composto dal tessuto muscolare. I muscoli, infatti, giocano un ruolo chiave nella locomozione, nella regolazione del metabolismo e nelle basilari attività quotidiane [1]. Il tessuto muscolare generalmente si organizza in tre principali famiglie: scheletrico, liscio e cardiaco. In particolare, il tessuto muscolare scheletrico è composto da una popolazione cellulare stabile, che nel caso di una lesione deve essere riportata al numero originale affinché il muscolo non subisca cambiamenti funzionali. La capacità rigenerativa intrinseca del muscolo riesce a fronteggiare alla riparazione quando ci sono lesioni piccole, assicurando continuità e stesse caratteristiche biomeccaniche tra la parte infortunata e quella sana. Al contrario, nel caso di rotture severe, che possono derivare da diverse cause come traumi, ablazione di tumori o malattie muscolari, si registra una perdita volumetrica muscolare (VML) con la conseguente formazione di tessuto cicatriziale. I trattamenti adottati per aiutare il muscolo nella riparazione di questo tipo di trami sono tipicamente o invasivi, come un intervento chirurgico, oppure basati su conoscenza pratica sul campo. Per questo, l’ingegneria tissutale del muscolo scheletrico (SMTE) è una soluzione alternativa promettente che utilizza differenti approcci, che aiutano a riprodurre la condizione nativa e riportare il muscolo alle condizioni originali. SMTE si propone non soltanto per fronteggiare la riparazione muscolare nel caso di traumi gravi causati da fattori esterni ma anche da deficit muscolari genetici come la distrofia di Duchenne. In questo studio sperimentale, basandosi sul lavoro svolto precedentemente nei laboratori del prof. Vanderburgh e prof. Thorrez [2], sono state applicate e valutate diverse stimolazioni in vitro a costrutti denominati muscoli bioartificiali (BAMs). In particolare, le differenti fasi dello sviluppo miogenico, proliferazione, differenziamento e maturazione, sono state studiate, essendo queste fondamentali per poter produrre degli scaffold ingegnerizzati con una qualità sufficiente da garantire un processo di riparazione del muscolo. In questo studio, è stato scelto di utilizzare la linea cellulare di mioblasti immortalizzati C2C12, dato che rappresentano un modello ben conosciuto per la caratterizzazione in vivo di questo processo. Le cellule sono state studiate nelle loro interazioni con biomateriali come la fibrina, gelatina e sue modifiche al fine di ottenere i muscoli bioartificiali (BAMs). Seguentemente, i BAMs sono stati stimolati con bioreattori che utilizzano ultrasuoni (US), onde elettromagnetiche (EM) o con la combinazione di entrambi. Questo lavoro di tesi rappresenta una applicazione di stimolazioni poco esplorate nel campo dell’ingegneria tissutale del muscolo scheletrico (SMTE).