Eficácia da produção de tecido

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13737 (2023) Citar este artigo

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Os sistemas de biorreatores são ferramentas muito preciosas para gerar enxertos ósseos vivos in vitro. O objetivo deste estudo foi comparar a eficácia do biorreator rotativo e de perfusão na produção de uma construção óssea viva. Células-tronco mesenquimais derivadas de medula óssea humana (BMDSCs) foram semeadas nas superfícies de estruturas à base de hidroxiapatita e cultivadas por 21 dias em três condições diferentes: (1) cultura 3D estática, (2) cultura 3D em um biorreator de perfusão e ( 3) cultura 3D dinâmica em biorreator rotativo. A avaliação quantitativa do número de células mostrou que o cultivo no biorreator de perfusão reduziu significativamente a proliferação celular em comparação com o biorreator rotativo e a cultura estática. O teste de diferenciação osteogênica demonstrou que BMDSCs cultivadas no biorreator rotativo produziram quantidade significativamente maior de osteopontina em comparação com as células cultivadas no biorreator de perfusão. Além disso, a espectroscopia Raman mostrou que o cultivo de BMDSCs no biorreator rotativo melhorou a mineralização da matriz extracelular (ECM), que foi caracterizada pela substituição carbonatada do tipo B de hidroxiapatita (associada aos grupos PO43-) e maior proporção mineral-matriz em comparação com a ECM. de células cultivadas no sistema de perfusão. Assim, concluiu-se que o biorreator rotativo foi muito mais eficaz que o de perfusão na geração de construção de tecido ósseo in vitro.

Ao longo dos anos, a engenharia de tecidos ósseos (BTE) ganhou crescente interesse em aplicações clínicas para a restauração de defeitos ósseos. Foi observado que o BTE pode superar inúmeras desvantagens dos enxertos ósseos naturais (autoenxertos, aloenxertos e xenoenxertos), como fontes restritas de doadores, morbidade do local doador e transmissão de doenças. A aplicação de enxerto ósseo de engenharia de tecidos envolve as seguintes etapas: (i) isolamento e expansão celular, (ii) crescimento de células na superfície da estrutura, (iii) cultura in vitro de biomaterial semeado de células para criar um enxerto ósseo vivo e (iii) implantação do enxerto produzido no local da lesão1,2. Para criar com sucesso o enxerto ósseo vivo in vitro, a questão crucial é imitar o microambiente in vivo, expondo células osteoprogenitoras/células-tronco mesenquimais a estímulos/fatores adequados. É bem conhecido que o método de cultura estática convencional de construções tridimensionais (3D) não é suficientemente bom para proporcionar condições apropriadas (por exemplo, transporte suficiente de nutrientes para as células) para obter tecido ósseo semelhante ao que ocorre in vivo. Portanto, os sistemas de biorreatores podem ser usados ​​para melhorar a robustez e a eficiência da criação de enxertos ósseos, controlando parâmetros cruciais durante a cultura celular e fornecendo distribuição celular homogênea, concentrações suficientes de gases e nutrientes, remoção de resíduos e forças mecânicas3,4. Existem vários tipos de sistemas de biorreatores, por exemplo, biorreatores de perfusão, biorreatores rotativos, biorreatores de frasco giratório, que podem fornecer condições adequadas para a criação de enxertos ósseos in vitro.

Os biorreatores de perfusão utilizam um sistema de bomba que perfunde o meio de cultura de forma contínua, proporcionando transporte de massa adequado de nutrientes e gases e estímulos mecânicos controlados5. Os sistemas de perfusão geralmente consistem em uma bomba, um reservatório de meio de cultura, um circuito de tubos, vasos que seguram as estruturas e um recipiente para resíduos3,4. O parâmetro importante nestes sistemas é a vazão do meio que pode induzir tensões de cisalhamento na parede que afetam o microambiente das células e, assim, apoiando o processo de formação óssea2,4. Vários estudos demonstraram que a cultura celular nos biorreatores de perfusão melhorou a diferenciação osteogênica de células osteoprogenitoras/células-tronco mesenquimais em comparação com a cultura estática, aumentando a expressão de genes relacionados à osteogênese (por exemplo, osteopontina (OPN), fosfatase alcalina óssea (bALP), osteocalcina (OC), colágeno tipo I (Col I))6,7,8. Por sua vez, biorreatores dinâmicos (por exemplo, biorreatores rotativos, biorreatores de frasco giratório) foram desenvolvidos principalmente para fornecer nutrientes e oxigênio de forma homogênea e criar um ambiente de baixo cisalhamento que desempenha um papel importante na melhoria da osteogênese, ativando vias de sinalização de mecanotransdução6,9. O Sistema Rotativo de Cultura Celular (RCCS) desenvolvido pela Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA) simula condições de microgravidade relativa, proporcionando um ambiente de baixo cisalhamento e ótima transferência de massa9. O RCCS mais comum consiste em uma base rotativa com controle da velocidade de rotação e um vaso giratório horizontalmente. Os biomateriais semeados de células podem ser mantidos em queda livre ou fixados em uma agulha no recipiente rotativo. Além disso, este tipo de biorreator também pode ser utilizado sem biomateriais para gerar agregados celulares 3D semelhantes a tecidos in vivo2. Semelhante aos biorreatores de perfusão, alguns estudos mostraram que o método de cultivo baseado em rotação aumentou a expressão de genes relacionados à osteogênese (por exemplo, bALP, OC, Col I) e a mineralização da matriz extracelular (MEC) em células-tronco mesenquimais em comparação com a cultura estática10, 11,12.