El enfoque de detección combinatoria abre el camino hacia un cartílago articular de mejor calidad
La osteoartritis, la forma más común de artritis, es una enfermedad degenerativa caracterizada por la degradación gradual del cartílago articular, que solo exhibe una capacidad regenerativa limitada. Las estrategias de ingeniería de tejidos basadas en células madre son muy prometedoras para el tratamiento del cartílago articular dañado y podrían ser impulsadas aún más por el enfoque presentado en este estudio. Crédito: Dr. Jae H. Park
Como un tejido elástico similar al caucho con propiedades muy variadas, el cartílago lubrica las articulaciones para mantenerlas sanas y en movimiento, y forma muchas de nuestras estructuras internas, como los discos intervertebrales de la columna vertebral. , las conexiones flexibles entre las costillas y la laringe, así como los tejidos externos como la nariz y las orejas.
Específicamente, en las articulaciones, el desgaste del cartílago con el tiempo puede resultar en contactos dolorosos de hueso con hueso, y el daño óseo y las reacciones inflamatorias que afectan a los pacientes con osteoartritis, la forma más común de artritis. . Solo en los EE. UU., 32,5 millones de adultos se ven afectados por la osteoartritis y, hasta el momento, no existe una estrategia que permita la reparación duradera o el reemplazo del cartílago articular (articular) degenerado.
Para superar este problema, los investigadores están utilizando estrategias de ingeniería de tejidos para generar cartílago a partir de células madre fuera del cuerpo humano. Sin embargo, según Eben Alsberg, Ph.D., de la Universidad de Illinois en Chicago, «puede ser un desafío prevenir la formación de fibrocartílago y cartílago hipertrófico cuando se utilizan estrategias de ingeniería de tejidos». Tras la implantación en las articulaciones, el cartílago diseñado puede volverse inestable y disfuncional, y los métodos que pueden determinar condiciones más complejas para la producción de cartílago de alta calidad ex vivo y su mantenimiento in vivo hasta ahora eran limitados.
Ahora, un equipo de investigación colaborativo dirigido por Ali Khademhosseini, Ph.D., director y director ejecutivo del Instituto Terasaki, ha desarrollado un enfoque de detección basado en biomateriales de múltiples componentes que identifica composiciones de materiales y estímulos mecánicos y moleculares que permiten que las células madre humanas se diferencien en células capaces de generar cartílago articular de mayor calidad. El estudio se publica en Science Advances.
«Adoptamos un enfoque holístico de la ingeniería del cartílago con este enfoque multicomponente in vitro mediante la detección con alto rendimiento a través de muchas combinaciones de parámetros materiales, biomecánicos y moleculares, que en este complejidad no se había hecho antes», dijo Khademhosseini. «Esto nos permitió definir las propiedades y composiciones de los materiales, y las contribuciones mecánicas, bioquímicas y farmacológicas específicas que ayudan a guiar a las células madre mesenquimales humanas (hMSC, por sus siglas en inglés) por un camino de diferenciación hacia los condrocitos productores de cartílago articular in vitro, y a mantener mejor su funcionalidad cuando se transfieren. en ratones».
Los condrocitos, que se están diferenciando de las hMSC, forman cartílago al secretar colágeno y otras biomoléculas en sus entornos extracelulares, donde forman una matriz elástica hidratada. Sin embargo, como el cartílago diferenciado solo retiene cantidades relativamente bajas de condrocitos que funcionan normalmente y carece de vasos sanguíneos de apoyo, no puede repararse ni regenerarse de manera eficiente.
En el estudio, el equipo ensambló un biorreactor de compresión a partir de 3-D componentes impresos con una matriz de 288 biomateriales individuales a base de hidrogel para la detección de múltiples parámetros presentados en el microambiente del cartílago en desarrollo nativo. Estos hidrogeles estaban compuestos por dos biomateriales diferentes, alginato metacrilado oxidado (OMA) y polietilenglicol (PEG). Los dos componentes de hidrogel se pueden reticular entre sí para crear una red elástica interconectada densa biodegradable y biocompatible. Dentro del biomaterial, los investigadores incrustaron hMSC, así como ligandos de unión celular que imitan el entorno extracelular normal del cartílago en desarrollo y factores de crecimiento que favorecen la diferenciación de las células del cartílago. El biomaterial de hidrogel con las hMSC encapsuladas podría manipularse mecánicamente entre placas fijas y móviles, por lo que la placa móvil se empuja cíclicamente hacia arriba desde el fondo con fuerzas finamente calibradas, lo que hace que el andamio del biomaterial se comprima y luego se relaje nuevamente cada vez.
El enfoque de detección de alto rendimiento basado en biomateriales que puede probar simultáneamente combinaciones de factores físicos y bioquímicos para determinar su capacidad para formar sinérgicamente cartílago articular funcional a partir de células madre permitió al equipo identificar microambientes específicos que inducen cartílago. Crédito: Laboratorios Khademhosseini y Alsberg.
Para poder ayudar a las hMSC con un medio de cultivo celular específico para cartílago y exponerlas a señales bioquímicas adicionales mientras se diferencian, el dispositivo se separó en varias cámaras, cada una conectada a un sistema de soporte de microfluidos. Dado que todos los parámetros biomateriales, mecánicos y químicos relevantes podrían variar individualmente entre los biomateriales de la matriz, los investigadores pudieron estudiar múltiples combinaciones de señales simultáneamente.
«Nuestro enfoque identificó composiciones de biomateriales que proporcionaron un punto dulce de hidrogel físico propiedades, las cantidades justas de matriz extracelular y factores de crecimiento críticos, y la estimulación mecánica que las hMSC necesitaban en esta complejidad para convertirse en condrocitos articulares altamente funcionales en el sistema de ingeniería», dijo el coautor principal Junmin Lee, Ph.D., un becaria postdoctoral en el grupo de Khademhosseini.
Alsberg agregó que la estrategia de biomateriales impulsada por dispositivos del equipo «identificó señales en el microambiente celular que podrían conducir preferentemente construcciones de tejido modificado a un fenotipo de cartílago hialino preferido». Los condrocitos que maduraron en los biomateriales secretaron cantidades sustanciales de moléculas de matriz extracelular que componen el cartílago articular natural.
Lee y el otro coautor Oju Jeon, Ph.D., profesor de investigación que trabaja con Alsberg, y miembros adicionales del equipo también estudiaron las vías moleculares que los condrocitos normalmente usan para transducir señales mecánicas de su entorno extracelular para controlar su expresión génica. «Descubrimos que las propiedades subóptimas del biomaterial que elevaban la actividad de una proteína mecanotransductora llamada YAP y sus efectos posteriores estaban causando que los condrocitos adoptaran un estado menos funcional muy parecido al del cartílago hipertrófico en los pacientes», dijo Jeon. «Por el contrario, la inhibición de YAP con un fármaco específico favoreció la formación de condrocitos articulares funcionales en nuestro sistema».
El inhibidor de YAP, así como un inhibidor de WNT, otra proteína involucrada en la mecanotransducción, también fueron encontrados por el equipo en la búsqueda de fármacos que favorecieran la formación de cartílago articular saludable en su sistema.
Para investigar si su enfoque general podría permitir la generación de condrocitos que también serían más efectivos in vivo, escalaron una condición exitosa que resultó de su procedimiento de selección de un hidrogel de 1 mm de diámetro a uno que medía 8 mm de diámetro. «Cuando inhibimos activamente YAP o el transductor de señal mecánica WNT durante 21 días de diferenciación de condrocitos in vitro, implantamos el tejido diseñado bajo la piel de ratones y analizamos los implantes nuevamente después de 21 días adicionales, observamos condrocitos de mayor calidad con significativamente menos hipertrofia en comparación con los controles que no fueron tratados con inhibidores antes de la implantación», dijo Jeon.
«Las oportunidades que ofrece nuestro enfoque y la información que ya nos ayudó a proporcionar es un paso importante hacia la generación de cartílago articular terapéutico, y algunos de los conocimientos que obtuvimos también podrían utilizarse para mejorar la función del cartílago articular existente en pacientes con osteoartritis y para estrategias más personalizadas», dijo Khademhosseini. Su grupo continúa sus esfuerzos en la interfaz de las plataformas de implantes personalizados, células personalizadas y materiales personalizados del Instituto Terasaki en colaboración con el laboratorio Alsberg Stem Cell & Engineered Novel Therapeutics (ASCENT).
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Los pequeños patines podrían ser la clave para la terapia del cartílago en humanos Más información: «Evaluación combinatoria de señales bioquímicas y físicas para la regulación fenotípica de la ingeniería de tejidos de cartílago basada en células madre» Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aaz5913 Información de la revista: Science Advances
Proporcionado por el Instituto Terasaki para la Innovación Biomédica Cita: El enfoque de detección combinatoria abre el camino hacia un cartílago articular de mejor calidad (22 de mayo de 2020) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-05-combinatorial-screening-approach-path-better-quality.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.