Generation of chondroinductive scaffolds with improved biomechanical properties and development of a bioreactor for cartilage tissue engineering

Abstract

La osteoartritis (OA) es una importante afección socioeconómica que afecta principalmente al cartílago articular, un tejido con un potencial de autocuración limitado y, por tanto, un objetivo adecuado para la medicina regenerativa y la ingeniería tisular (TE). Hasta la fecha, se han descubierto terapias poco eficaces para las lesiones del cartílago. El requisito más apremiante en ingeniería tisular del cartílago (CTE) es el desarrollo de biomateriales capaces de personalizar la complicada matriz extracelular (ECM) del tejido. Además, se necesitan nuevos dispositivos médicos de bioingeniería que estimulen el crecimiento ex vivo de andamiajes biomiméticos de ETC. La medicina regenerativa (RM) es el enfoque terapéutico que trata de reparar, sustituir o regenerar órganos/tejidos para restablecer las funciones disminuidas por cualquier causa, incluidas las deficiencias congénitas, las enfermedades, los traumatismos o la edad. Emplea varias técnicas que van más allá de la típica terapia de trasplante y sustitución. Estos métodos pueden incluir, entre otros, sustancias químicas solubles, terapia génica, trasplante de células madre, TE y reprogramación de tipos de células y tejidos. Por su parte, la TE es una disciplina interdisciplinar que utiliza conceptos de ingeniería y ciencias de la vida para crear sustitutos biológicos que restauren, mantengan o mejoren la función de los tejidos. El uso de tratamientos basados en células (o productos de CTE) para regenerar y reparar el cartílago no es nuevo; técnicas como la implantación de condrocitos autólogos inducida por matriz (MACI) y la implantación de condrocitos autólogos (ACI) se han empleado en entornos clínicos durante muchos años. Incluso recientemente, se ha experimentado con una alternativa prometedora, el producto instantáneo de células madre mesenquimales (MSC) que acompaña al trasplante autólogo de condrocitos (IMPACT), in situ a base de pegamento a base de fibrina, que contiene MSC alogénicas. Aunque estos métodos presentan cierta eficacia, resulta difícil mantener la cantidad adecuada de condrocitos y el estadio de diferenciación in vitro, y la integración de las células en el tejido circundante sigue siendo deficiente. En este sentido, el principal objetivo de esta tesis ha sido ofrecer soluciones a estos inconvenientes. Así, el manuscrito se ha dividido en tres capítulos. En el primer capítulo se examinó cómo las distintas geometrías y tamaños de poro (es decir, la microestructura) afectan a la adhesión y proliferación de células madre mesenquimales derivadas de la almohadilla de grasa infrapatelar (IPFP-MSCs) en andamios termoplásticos 3D biofabricados. En estos estudios se utilizó un biomaterial novedoso para CTE, el poliuretano termoplástico 1,4-butanodiol (b-TPUe), y otro estandarizado (policaprolactona, PCL). Se observó que la adhesión celular, la proliferación y las propiedades mecánicas variaban en función de la forma, la porosidad y el tipo de biomaterial utilizado. En conclusión, los andamios de b-TPUe imitaban mejor la dinámica del cartílago, y que la geometría triangular con 1,5 mm de distancia entre fibras era la morfología mejor adaptada para la ETC. En el segundo capítulo, los andamios de b-TPUe se funcionalizaron con colágeno de tipo I y ácido 1-pireno butírico (PBA). Después, se sembraron con IPFP-MSCs para verificar la eficacia de estos métodos en comparación con los andamios ingenuos. Las pruebas confocales y con azul de Alamar muestran que los andamios funcionalizados con PBA permiten una adhesión y proliferación celular superiores a lo largo de los primeros 21 días, siendo la proliferación y viabilidad celular menores que la funcionalización con colágeno tipo I. No obstante, ambos métodos aumentaron la producción de ECM y la presencia de marcadores condrogénicos (Sox9, Col2a y Acan). El tercer capítulo demuestra por primera vez la evolución condrogénica de andamios 3D funcionalizados de b-TPUe en tiempo real en un biorreactor (BR) con bajas presiones de cizallamiento. Una combinación de monitorización ultrasónica y correlación cruzada permitió esta cuestión. La aplicación de las señales obtenidas mediante un modelo de elementos finitos (FEM) de propagación de ondas de pulso elásticas y las señales empíricas permitió calcular la velocidad y la densidad reales del sonido. Además, se utilizaron IPFP-MSC como fuente celular para el andamio 3D funcionalizado basado en b-TPUe. Los resultados mostraron cómo el BR inducía la condrogénesis en comparación con los cultivos 3D estáticos. En conclusión, el BR representa una herramienta valiosa para generar una condrogénesis considerable de forma controlada. En resumen, se ha desarrollado un proceso completo que utiliza IPFP-MSCs y un andamio b-TPUe funcionalizado para generar injertos de CTE viables destinados al tratamiento de la OA. Nuestra mayor novedad radica en la ausencia de un factor de crecimiento externo para inducir la condrogénesis en nuestros andamios 3D. Además, se ha desarrollado y validado un novedoso sistema que acelera la maduración de estos injertos y mide la síntesis de ECM en tiempo real. Por lo tanto, la eficacia de nuestra metodología en términos de concentración celular y producción de ECM en un tiempo relativamente corto debería implicar una posible alternativa precisa para la CTE.