[en] The increase in life expectancy associated with developments in the field of medicine has prompted the prevalence of degenerative diseases related to aging. Specifically, articular cartilage is a tissue with a very limited ability to self-repair upon injury due to its avascular and aneural nature. Hence, osteoarthritis (OA) represents the most common cause of long-term pain and physical disability in developed countries. However, none of the current therapeutic options has been able to completely restore the function of hyaline cartilage, generally leading to the formation of fibrocartilage. In this context, gene therapy has emerged as a promising alternative to treat articular cartilage injuries by transferring therapeutic genes into the lesion site. Non-viral vectors represent the safest tools to accomplish this aim as they avoid the main drawbacks of viral carriers, including the risk of eliciting insertional mutagenesis or immune responses in the host. Nonetheless, the existence of several extracellular and intracellular barriers considerably reduced their efficiency compared to their viral counterparts. Noteworthy, the design of gene-activated matrices (GAMs) may help to overcome these issues by promoting a controlled delivery of the candidate genes into the cellular microenvironment. This dissertation focuses on the production of a gene-activated cryogel (G-HACG) based on a combination of non-viral vectors, a shape memory hyaluronic acid based cryogel (HACG) and a source of primary mesenchymal stem cells (MSCs). Developed cryogels systems showed a macroporous structure mimicking the composition of the cartilage extracellular matrix with great biocompatibility and promoting cell proliferation. Various non-viral gene delivery systems based on niosomes were produced and their composition was optimized to obtain high levels of transfection in MSCs with a reduced cytotoxicity. Best niosome formulations were tested as carriers of a plasmid encoding for the transcription factor SOX9 (nioplexes) to promote MSCs chondrogenesis. After refining their composition, nioplexes were firstly incorporated into the cryogels and their release profile and bioactivity profile were monitored. Lastly, MSCs were incorporated into these systems to produce the G-HACG. Effective chondrogenesis of MSCs inside G-HACG was confirmed, showing a reduced expression of fibrocartilage and hypertrophic markers. A similar trend was observed when administrating G-HACG in an ex vivo model of chondral defect, highlighting the potential of the developed systems for restoring cartilage extracellular matrix.

[es] El aumento de la esperanza de vida asociado a los avances médicos ha propiciado la prevalencia de enfermedades degenerativas relacionadas con el envejecimiento. En concreto, el cartílago articular es un tejido con una capacidad muy limitada de autorreparación debido a su naturaleza avascular y aneural. Por lo tanto, la osteoartritis (OA) representa la causa más frecuente de dolor a largo plazo y discapacidad física en los países desarrollados. Además, ninguna de las opciones terapéuticas actuales ha sido capaz de restaurarlo por completo, dando lugar generalmente a la formación de fibrocartílago. En este contexto, la terapia génica ha surgido como una alternativa prometedora para tratar las lesiones del cartílago articular mediante la transferencia de genes terapéuticos en el lugar de la lesión. Los vectores no virales son las herramientas más seguras para este fin, evitando los principales inconvenientes de los transportadores virales, como el riesgo de inducir mutagénesis por inserción o de desencadenar una respuesta inmune en el paciente. No obstante, la existencia de barreras extracelulares e intracelulares reduce considerablemente su eficiencia en comparación con sus homólogos virales. El diseño de matrices activadas por genes (GAMs) constituye una alternativa para soslayar dichas barreras a través de la liberación controlada de los genes candidatos en el microambiente celular. Esta tesis abordó la producción de un criogel activado por genes (G-HACG) mediante la combinación de una fuente de vectores no virales, un criogel de ácido hialurónico (HACG) con memoria de forma y una población de células madre mesenquimales (MSCs). Los criogeles desarrollados mostraron una estructura macroporosa que mimetiza la composición de la matriz del cartílago, y una elevada biocompatibilidad capaz de promover la proliferación celular. Se produjeron varios sistemas no virales de liberación de genes basados en niosomas y se optimizó su composición para obtener niveles elevados de transfección en MSCs, con una reducida citotoxicidad. Las mejores formulaciones de niosomas se probaron como vectores de transferencia de un plásmido que codifica para el factor de transcripción SOX9 (nioplejos) en MSCs con el fin de promover su condrogénesis. Después de refinar su composición, los nioplejos se incorporaron a los criogeles y se estudió su perfil de liberación y bioactividad. Por último, para producir las G-HACG se incorporaron las MSCs en dichos sistemas. Los resultados obtenidos confirmaron la condrogénesis efectiva de las MSCs dentro de los G-HACGs, mostrando una expresión reducida de marcadores de fibrocartílago e hipertróficos. Una tendencia similar fue observada cuando se administraron los sistemas en un modelo ex vivo de defecto condral, poniendo de manifiesto el potencial de los sistemas desarrollados para restaurar la matriz extracelular del cartílago.