Explorations of monocyte responses to stimulation with fucoidan and alginates
Abstract
Historisk sett har biomaterialer vært nyttige for medisinsk bruk, og utviklet seg fra enkle treproteser og gullimplantater for tenner mer sofistikerte moderne bruksområder, som leveringssystemer for legemidler. En spesielt lovende teknologi er celleinnkapsling, hvor celler immobiliseres i en biomaterialkapsel før de implanteres i en vert. Der kan cellene produsere de ønskede behandlingsproduktene, samtidig som de beskyttes fra vertens immunsystem. Kapselen tillater fri diffusjon av oksygen, næring- og avfallsstoffer, som forsikrer at cellene kan overleve. Det største hinderet for celleinkapslingsteknologi er fremmedlegemeresponsen. Biomaterialet gjenkjennes av immunceller, og immunresponsen initierer dannelsen av et fibrotisk lag rundt kapselen, som forhindrer diffusjonen av oksygen, næring- og avfallsstoffer som er nødvendig for cellenes overlevelse i kapselen. En mer fullstendig forståelse av vertsresponsen mot biomaterialer, spesielt med tanke på inflammasjon og fibrose, er nødvendig for å utvikle en teknologi som virker over lenger perioder. Denne oppgaven undersøker de immunstimulerende egenskapene til det sulfaterte polysakkaridet fucoidan, sammen med seks ulike alginater. Enkelte av disse polymerene er kandidater for bruk i celleinnkapsling. «Trent immunitet» er et fenomen der stimulering av monocytter induserer epigenetisk og metabolsk reprogrammering som resulterer i en økt eller dempet respons mot senere, ikke-relatert stimulering. Fucoidan og fem av alginatene ble undersøkt for deres potensiale for å indusere trening eller toleranse. Det var store variasjoner i respons mellom de ulike donorene, og ingen av polymerene induserte en signifikant endring i TNF responsen til restimuleringen sammenlignet med mediekontrollen. TNF responsen på den første stimuleringen med fucoidan og fem alginater ble også undersøkt. Ettersom spørsmål rundt overlevelse, proliferasjon, morfologiske endringer, og mediumbetingelser etter undersøkelsene av trent immunitet, ble eksperimentene designet for å undersøke om fucoidan og sulfatert alginat induserte andre mønstre sammenlignet med de andre polymerene. Dette inkluderte videre undersøkelser av de inflammatoriske cytokinene TNF og IL-8. I disse eksperimentene ble det sjette alginatet også inkludert. Cytokinresponsen varierte mellom donorer, og ingen av polymerene induserte responser som var signifikant endret sammenlignet med mediekontrollen.Polymerene påvirket stort sett ikke cytotoksisitet eller proliferering hos monocyttene. Den morfologiske tilstanden til monocyttene viste forstørrede monocytter etter inkubering med fucoidan og sulfatert alginat etter tre dagers inkubasjon. Stimulering med fucoidan, MVG, SA og LVG resulterte i flerkjernede celler etter 7 dager, som også ble observert for cytokin IL-4, en kontroll som er kjent for å indusere makrofag-polarisering i en M2-retning. Avslutningsvis induserte polymerene interessante trender som bør undersøkes videre. Ettersom det var store variasjoner mellom donorene, bør fler replikater av eksperimentene gjennomføres før noen endelige konklusjoner kan trekkes. Videre undersøkelser bør foregå over lengere tid for å undersøke om multinukleasjon observeres for de andre polymerene på senere tidspunkt. Throughout history, biomaterials have played a pivotal role in biomedical practices, evolving from rudimentary wooden prosthetics and gold dental implants to sophisticated modern applications such as drug delivery systems. Among these advancements, cell encapsulation technology stands out as particularly promising. This technique involves immobilizing cells within a biomaterial capsule and implanting them into a host, allowing the cells to produce desired therapeutic products while being shielded from the host's immune system. The largest obstacle for functional implants is the foreign body response that is initiated upon immune recognition of the foreign biomaterial used for the capsule. This reaction initiates the formation of a fibrotic layer around the capsule, preventing the diffusion of oxygen, nutrients and waste that is essential for the survival of the therapeutic cells. A more complete understanding of the host response to biomaterials, particularly regarding the induction of inflammation and later fibrosis, is required for further development of such therapies. This thesis set to investigate the immunostimulatory properties of the sulfated polysaccharide fucoidan, along with six different alginates. Some of these polymers are candidate materials for use in cell encapsulation technology. Trained immunity is the phenomenon in which stimulation of monocytes induces epigenetic and metabolic reprogramming resulting in an enhanced or tolerance effect on the response to later, unrelated stimulation. Fucoidan and five of the alginates were investigated for their potential training or tolerance-inducing effects. There were variations between the donor responses to the stimulation, although none of the polymers induced a significantly altered TNF response upon restimulation compared to the medium control. Data on the TNF response to the initial stimulation with the fucoidan and five soluble alginate polymers was also generated through the trained immunity assay. As there were raised questions to the cell-survival, proliferation capacities, morphology changes and medium conditions following the trained immunity experiments, we set-up experiments to answer if the fucoidan and sulfated alginate induced other patterns than the regular alginate polymers. This included further measures of the inflammatory cytokines TNF and IL-8. The sixth alginate was also included in these experiments. A variability in cytokine inductions were observed, and none of the polymers were significantly different from medium control. The polymers did mostly not affect the cytotoxicity or proliferation of the monocytes. The morphological state of the monocytes showed enlarged monocytes following incubation of fucoidan and sulfated alginates after three days incubation. Stimulation with fucoidan, MVG, SA and LVG resulted in multinucleated cells after 7 days, as also was found for the control cytokine IL-4 known to induce macrophage polarization to M2-phenotype. In conclusion, the polymers induced interesting trends that should be further investigated. Due to variations between donors, more replicates of the experiments should be conducted before any definitive conclusions are drawn. Further investigations should be conducted over a longer period of time, to investigate whether the multinucleation observed for some polymers will be induced at later time points for the other polymers.