Construções de bioimpressão em 3-D para regeneração de cartilagem

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3d bioprint

A lesão da cartilagem é uma causa comum de disfunção articular e as próteses articulares existentes não podem ser remodeladas com tecido articular hospedeiro. Entretanto, é um desafio desenvolver construções biomiméticas anisotrópicas em larga escala que imitam estruturalmente a cartilagem nativa. Em um novo relatório sobre o Science Advances, Ye Sun e uma equipe de cientistas em ortopedia, pesquisa translacional e ciência de polímeros na China, detalha a regeneração da cartilagem anisotrópica usando a bioimpressão tridimensional (3-D) de construções estruturadas com duplo fator de liberação de gradiente. A equipe utilizou o fator de crescimento duplo liberando células-tronco mesenquimais (MSC) carregadas de hidrogel para diferenciação condrogênica (desenvolvimento de cartilagem). As construções de cartilagem em 3-D mostraram integridade de camada inteira, lubrificação de camadas superficiais e fornecimento de nutrientes em camadas mais profundas. Os cientistas testaram o tecido da cartilagem no laboratório e em modelos animais para mostrar a maturação e organização do tecido para tradução para humanos após estudos experimentais suficientes. As construções de cartilagem estruturadas em um passo, impressas em 3-D com duplo fator de liberação de gradiente, podem ajudar na regeneração de MSC – e na terapia de bioimpressão em 3-D para juntas lesionadas ou degenerativas.

A cartilagem articular normalmente forma um tecido conjuntivo elástico na articulação. A lesão da cartilagem é uma deficiência extremamente comum, embora com capacidade limitada de auto-cura devido à baixa celularidade e natureza avascular do tecido. Os danos à cartilagem podem ser debilitantes e a reconstrução da cartilagem ou das articulações é atualmente um desafio considerável no laboratório de pesquisa. Na prática clínica, as articulações artríticas podem ser substituídas por artroplastia total da articulação utilizando próteses metálicas e sintéticas. Entretanto, as próteses articulares existentes não podem ser remodeladas (ou integradas) com o tecido hospedeiro, o que pode levar a deficiências funcionais a longo prazo que só podem ser tratadas através da regeneração biológica da articulação. Os cientistas desenvolveram recentemente transplantes de células-tronco mesenquimais (MSC) para estimular a diferenciação direcional em condrócitos como um novo método para reparo de cartilagem. Entretanto, ainda é um desafio imitar a estrutura anisotrópica gradiente e as abordagens de sinalização em diferentes camadas para induzir diferenciação condrogênica dependente de zonas e deposição de matriz extracelular (ECM) para promover a regeneração osteocondral. Neste trabalho, Sun et al. desenvolveram uma construção em 3-D com bioimpressão, com dupla liberação de fatores, com estrutura de gradiente MSC para implantar e estabelecer a regeneração de cartilagem de camada inteira em um modelo animal.

Construção de cartilagens de bioimpressão em 3-D

A equipe utilizou a bioimpressão em 3-D para desenvolver diferentes construções de tecido articular para a reconstrução das juntas. Eles imitaram a cartilagem nativa, incluindo o estímulo bioquímico (BCS) com diversas construções de liberação de fator de crescimento e estímulo biomecânico (BMS) com pequenos tamanhos de poros para induzir condrogênese. Criaram então uma terceira construção de cartilagem como um grupo de estímulo duplo (DS) para incluir as duas versões de estímulos. Para fatores de crescimento, a equipe escolheu uma combinação de proteína morfogenética óssea (BMP4) e o fator de crescimento transformador β3 (TGFβ3) na construção da cartilagem para regenerar tecidos complexos não homogêneos das articulações. Sun et al. desenvolveram então um hidrogel para fornecer os fatores de crescimento e utilizaram microesferas de poli(ácido lático-co-glicólico) (PLGA) como veículo/veículo. A equipe manteve um espaçamento de fibras constante para o grupo BMS (biomechanical stimulus) e grupo BCS (biochemical stimulus) para desenvolver os andaimes não graduados, enquanto introduzia gradualmente espaçamento de fibras variável para andaimes no grupo DS (double stimulus). Os cientistas também utilizaram polímeros de poli(ε-caprolactona) (PCL) e os integraram à construção biomimética de andaimes. Desta forma, eles desenvolveram construções de cartilagem de coelho usando andaimes de 4 x 4 x 4 mm e construções de cartilagem humana usando andaimes de 14 x 14 x 14 mm.

Teste dos efeitos dos andaimes e da formação da matriz cartilaginosa no laboratório

Para testar o impacto dos fatores de crescimento na viabilidade e proliferação de células do estroma da medula óssea (BMSC), Sun et al. cultivaram BMSCs em hidrogel por sete dias. As microesferas liberaram volumes sustentados e controlados de fatores de crescimento no laboratório. Em seguida, os cientistas seguiram o experimento com ensaios de viabilidade e proliferação celular em andaimes impressos para observar a sobrevivência dos BMSCs aos 60 minutos (dia zero), sete dias e 21 dias após a bioimpressão. As células vivas mostraram maior viabilidade celular no dia zero, seguido de crescimento sustentado dos dias três a 21. Após 21 dias, Sun et al. observaram uma boa ancoragem de células 3-D no andaime e o trabalho mostrou o desenvolvimento de um microambiente favorável ao crescimento e diferenciação de BMSC para formar condrócitos no laboratório.

Antes de traduzir o andaime 3-D bioimpresso em um modelo animal, Sun et al. testaram se a entrega de fatores de crescimento poderia induzir a diferenciação de BMSC específicos da camada em condrócitos. Eles seguiram um protocolo experimental e observaram agregador (uma proteína marcadora glial) e colágeno tipo II para formar células tipo condrócitos articulares hialinas. A equipe transplantou então os andaimes de cartilagem em um modelo animal e examinou sua funcionalidade durante 12 semanas in vivo. As propriedades mecânicas aprimoradas da cartilagem articular resultante mostraram uma regeneração promissora para fornecer suporte estrutural para o tecido de cartilagem recém-formado. Após 12 semanas, Sun et al. realizaram imagens de imunofluorescência para mostrar a semelhança das construções de cartilagem implantada com a cartilagem articular nativa rodeada pela matriz da cartilagem.

Melhor efeito reparador dos implantes de cartilagem em um modelo de defeito de cartilagem do joelho de coelho

Sun et al. usaram modelos experimentais de coelhos para testar a capacidade dos andaimes de cartilagem durante o reparo do joelho. Eles construíram os andaimes usando uma etapa de bioimpressão em 3-D para fornecer suporte estrutural e liberação sustentada de células. O experimento facilitou a regeneração biomimética da cartilagem articular nativa e o implante mostrou uma melhor integração no local do defeito em 24 semanas para o grupo experimental de duplo estímulo (DS), em comparação com os grupos BMS e BCS. A equipe monitorou o local do transplante com ressonância magnética (RM) para notável cicatrização da cartilagem articular após 24 semanas (dentro de seis meses). Os resultados mostraram um melhor reparo da cartilagem e melhor gerenciamento das articulações com a coorte DS em comparação com os grupos animais BCS ou BMS.

A equipe observou as transições da cartilagem articular da zona superficial para zonas mais profundas e testou as propriedades da cartilagem gerada comparativamente com a cartilagem nativa. Como antes, o andaime DS mostrou microvasos encravados com crescimento melhorado em comparação com os outros grupos (BCS e BMS). Desta forma, Ye Sun e colegas geraram construções anisotrópicas 3-D bioimpressas com integridade estrutural para reconstrução das articulações, regeneração da cartilagem articular e construção funcional da cartilagem articular do joelho em um modelo de coelho. As construções funcionais em 3-D bioimpressas atuaram como próteses durante a substituição das articulações ou reparo da cartilagem para curar as articulações lesionadas ou degeneradas em modelos animais. Os cientistas realizarão mais experimentos para entender o sustento funcional da construção de articulações em modelos animais. Após mais experimentos em modelos animais pré-clínicos, a equipe vislumbra a tradução das construções bioimpressas em 3-D via artroscopia mini-invasiva para substituir as articulações danificadas ou degenerativas dentro de humanos.

Referências

Medicalxpress.com | 3-D bioprinting constructs for cartilage regeneration

Ye Sun et al. 3D bioprinting dual-factor releasing and gradient-structured constructs ready to implant for anisotropic cartilage regeneration, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aay1422

Chang H Lee et al. Regeneration of the articular surface of the rabbit synovial joint by cell homing: a proof of concept study, The Lancet (2010). DOI: 10.1016/S0140-6736(10)60668-X

April M Craft et al. Generation of articular chondrocytes from human pluripotent stem cells, Nature Biotechnology (2015). DOI: 10.1038/nbt.3210

Benjamin R. Freedman et al. Biomaterials to Mimic and Heal Connective Tissues, Advanced Materials (2019). DOI: 10.1002/adma.201806695

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