medicina regenerativa6 [compatibility mode]

7/24/2019 Medicina Regenerativa6 [Compatibility Mode]

1/41

Inginerie citotisularaInginerie citotisulara

si organe artificialesi organe artificiale

CURS 7

Ingineria tisulara a osului siIngineria tisulara a osului si

cartilajuluicartilajului


2/41

esutul osos este unul dintre numeroasele tipuri de esutconjunctiv ce se gsete n organism, care implic o matrice

extracelular bogatn colagen. Alte exemple de esut conjunctiv

sunt cartilajul, ligamentele, tendoanele, muchii.

esutului osos i se atribuie trei funcii importante norganismul uman:

(i) ofer sprijin mecanic precum i suport pentru inserarea

muchilor,

(ii) are un rol protector pentru organele internei mduv,

(iii)furnizeaz ionii necesari pentru funcionarea normal a

organismului


3/41

Structur i compoziia esutuluiosos

esutulosos n sine este compus din mai multe tipuri de celule diferitefiecare cufuncialorspecific,precumio matriceextracelular, aacum sepoate observa din figura 1. Matriceaextracelulareste compus din 95% decolagen de tip Iiproteoglicani,mpreuncu proteine noncolagenice, 5%.Proteoglicanii sunt molecule de greutate molecular ridicat derivai dinproteineipolizaharide, care, de obicei, segsescnesuturilestructuraleicele conjunctive. Un exemplu de proteoglicani sunt GAG, frecventntlniilanivelulesutuluiosos cticel cartilaginos.

Structura tesutului osos cortical si spongios


4/41

Osul este unesut de legtur,format dintr-o matriceextracelularmineralizat icelule specializate: osteoblaste - OB, osteociteiosteoclaste- OC. Principalul component organic al matricei este colagenul de tip I, ceeste n procent de 90%, i restul de 10% este repezentat de o serie deproteine nestructurale de dimensiuni mici, printre care se gseteosteocalcina, osteonectina, unele fosfolipide, siloproteine, factori decretere

iproteine serice.

Faza anorganic este alctuit din cristale minuscule dintr-unmineral cu caracter alcalin, Hap. Aceste cristale se ncrucieazcu fibrelede colagen pentru a forma un material ce ntrunete caracteristicileadecvate de rigiditate, flexibilitatei rezisten.


5/41

OB, celulele formatoare de os,lucreazn grupuri pentru a segregaia mineraliza, pachete din matriceaosoas. Microscopic, OB active, suntobservate precum nite celule cuboidale, cu un reticul endoplasmatic

proeminent, caracteristic celulelor secretoare de proteine, situate lasuprafaa osoas (figura 2). Aceste celule sintetizeaz din abundenfosfataz alcalin, o enzim care contribuie la mineralizarea matriceiextracelulare.

Schema de formare siresorbie a esutuluiosos n funcie desarcinile aplicate


6/41

Remodelarea osoas cuprinde cinci faze

distincte:

Faza de repaus: cndsuprafaa esutuluiosos esteacoperitcu celule inactive. OB sunt fixate n matriceamineralizat.

Faza de activarea:stimulii hormonali sau fizici trimit semnalectre monocitele mononucleareimacrofage pentru a migra lalocul unde estenecesarremodelareaipentru a sediferenia

n OC.Faza de resorbie: OC ncep s elimine componentele

organice i minerale de la nivelul esutului osos precum iformarea unei caviti caracteristice denumite lacuna luiHowship, la nivelul esutului osos trabecular ct i la nivelulesutuluicortical.


7/41

Faza de inversie: OC dispar, iar celulele macrofage mononucleare

se aglomereaz n zona resorbit de ctre osteoclaste, depozitnd osubstan care va favoriza depunerea noului esut osos; dup carepre-osteoblstele ncep s apar datorit unor factori de stimulareprecum IGF-2 i TGF-.

Faza de formare: OB se difereniaz i acoper cavitatea formatde OC ducnd la formarea de noi osteoni prin depunerea de colagen

de tip I.


8/41

Remodelarea esutului osos


9/41

1.Hormonii:Hormonul paratiroidian(PTH): formareaiactivitatea OC;

proliferareaiactivitateaOB turnoverPTH intermitent: formareaesutuluiosos in

vivoPTH n doze mari: resorbie osoas

pierdereaesutuluiosos.Vitamina D: formareaiactivitatea OC;

proliferarea OB; difereniereaOB

Necesarpentru mineralizarea matricei osoase:deficien rahitism.Calcitonina: formareaiactivitatea OC.Glucocorticoizii:

Necesari pentru dezvoltareai funcionarea normala

osuluin exces pierdere de esutosos/ osteoporoz.Hormoni de cretere:

Necesari pentrucreterea normala scheletului.Hormonii sexuali(estogeniiandrogeni):

formareaiactivitateaOC; activitatea OB (posibil)

Deficitul osteoporozii


10/41

2. Factori locali:

Factorii de cretere i citochinele:Efect variabil asupra formrii i activitii OC i OB

Alte molecule:

Prostaglandinele: activitatea OCLeucotrinele: formarea i activitatea OCATP extracelular: formarea i activitatea OC,

activitatea OB

Bradikinina: formarea i activitatea OCCGRP (Calcitonin-Gene Related Peptide): formarea iactivitatea OC


11/41

3.Ageni anorganici (locali i sistemici) :H+ extracelular (pH < 7,2): activitatea OC, activitatea OBPO4

3-: formarea i activitatea OCCa2+ : formarea i activitatea OC (efect limitat)F- : formarea osoas

Hipoxia: formrii OC, funciei OBOxidul nitric: formarea i activitatea OC, activitatea OB,intervine n rspunsul la solicitri mecanice

4.Efecte mecanice:

ncrcturi regulare ciclice: activitatea OB, formarea osoas.Absena greutilor: formarea i activitatea OCSchimbri majore ale presiunii hidrostatice: apoptoza OC


12/41

Proprietile mecanice ale esutului osos

esut osos cortical Rezisten (MPa s.d.)Modulul de elasticitate

(GPa s.d.)

CompresiuneTractiune

Torsiune

180 36 18,6 28,8

151 28 7,1 28,2

65 9

esut osos spongios Rezisten (MPa s.d.)Modulul de elasticitate

(MPa

s.d.)Compresiune 1,512 40400

Tabelul 2. Proprietaile mecanice ale esutul osos uman


13/41

Grefele osoase sunt necesarepentru repararea tesuturilor

lezate ca urmare a:

traume- boli

defecte congenitale

Restabilirea functiei osoase

protejare organe vitale

medierea activitatilor

dependente de musculoschelet

Perspective clinicePerspective clinice Os sanatos

Os - osteoporoza


14/41

Semnificatie clinicaSemnificatie clinica

Tesutul osos ocupa locul 2 intre cele maitransplantate tesuturi:

643,000 proceduri anuale (USA)

cost ~ $600 milioane/an (USA)Natura transplantului

45% autologe

45% alogenice

10% sintetice

10% dintre grefe esueaza


15/41

Grefe osoase autologeGrefe osoase autologe Transplantul de tesut de la acelasi pacient -

Stimulare Vindecare

Imbunatatiri clinice:

celule, factori de crestere in tesutul grefat

Pot fi remodelate:

nou os format

grefa transplantata resorbita

Limitari:

disponibilitatea de tesut donor (forma si marime)

doua interventii chirurgicale (dureros pentru pacient,

cost ridicat)


16/41

Grefe alogenice si sinteticeGrefe alogenice si sintetice

Inlocuirea functiei tesutului

Avantaje

varietate de forma si marime interventie chirurgicala unica

Dezavantaje

integrare slaba

rupturi mecanice in material


17/41

StrategiaStrategia inin ingineriaingineria tisularatisulara aa

osuluiosului Producerea de materiale cu caracteristici

similare grefelor osoase autologe

Producerea de materiale cu compozitie similara

grefelor osoase autologe

celule si factori de crestere in matrice colagenice

mineralizata


18/41

StrategiaStrategia inin ingineriaingineria tisularatisulara aa

osuluiosului sisi cartilajuluicartilajului

Suport

Aplicatie

clinica

Celule

Substante

active

Cultura de celule


19/41

SuportulSuportul

Definit de forma tesutului care trebuie vindecat Macroporos cu suprafata extinsa pentru a favoriza

adeziunea celulara si dezvoltarea de tesut

Goldstein et al. Tissue Eng 5:421, 1999


20/41

Pentru ingineria esutului osos, materialele de

substituietrebuiesprezinte:

Biocompatibilitate: lipsarspunsuluiimunogenic. Biodegradabilitate: este un material ceodatimplantatsufera un fenomen de degradare (enzimatic, acid,

bazic), prin interaciune cu sistemele biologice. Acest

degradare se produce ca rezultat al unui proces de alterare

i transformare al implantului datorit aciunilorcelulare,

enzimatice, bacteriane sau virale.


21/41

Osteoconductivitate:este o proprietatepasiva unui

material ce permite acceptarea i conducerea creteriiosoase. Aceasta cretere se realizeaz prin invazia

vascular i celular.

Osteoinductivitate: este capacitatea unui material dea induce odifereniere celular pnla sinteza matricei

osoase mineralizate. Osteogenitate: reprezint formarea esutului ososnou format din osteoblaste.

Proprieti mecanice: materialele de substituietrebuie s posede proprieti mecanice asemntoare

cu cele ale esuturilor nvecinate pentru a preveni undezechilibru mecanic, care poate duce la stres i

resorbie osoas.


22/41

SuportulSuportulCaracteristici esentiale

stimuleze functiile celulare: factori bioactivi pe

suprafata materialului, medicament/gene in

material

compliante/degradare


23/41

Dintre diferitele solutii care s-au propus ca materiale desubstitutie a osului sau care sa ajute regenerarea acestuia se pot cita

ceramicile de hidroxiapatita, amestecate sau nu cu colagen.

Materialele cu colagen - foarte bune biocompatibilitati dei

sunt putin osteoconductoare, cele mai utilizate materiale colagenicefiind atelocolagenul sau fibra de colagen

Un biomaterial implantabil s-a realizat prin formarea treptat decristale de hidroxiapatit ntr-o matrice tip burete de colagen

liofilizat.

SuportulSuportul -- osos


24/41

Rezultate

In timp ce buretele de colagen netratat s-a degradat rapid (ntr-o zi),

implantul ncrcat cu minerale a fost capabil s-i menin integritatea

timp de 2 sptmni. In cultura de celule s-a pus n eviden o degradaremedie a implantului printr-o descretere a coninutului de calciu.

Morfologia colagenul liofilizat i forma sa mineralizat (coninnd fosfatde calciu) arata ca structuraporoas a colagenului liofilizat original a fost

meninut cnd s-a realizat depunerea cristalelor de fosfat de calciu deform acicular. Aceasta are o semnificatie deosebita atunci cnd seateapt ca matricea de colagen s fie utilizata pentru creterea iproliferarea celular, difuzia celulelor fiind dependenta de marimeaporilor suportului. Buretele colagenic are, n stadiul uscat,

Pstrarea morfologiei celulare, rotunde originale, asociat cuinteractiunea moderat celul- substrat indic n general faptulca celula si manifest functia sa diferential.


25/41

Fosfat de calciu Colagen OS

Fosfat de calciu

sintetic

PolimerCompozit Fosfat de

calciu / Polimer

=

=

1. Proprietati care sa simuleze pe cele ale osului natural

2. Bioactivitate


26/41

Componentul Abreviere Formul chimic Raport Ca/P

-Fosfat tricalcic -TCP -Ca3(PO4)2 1,5-Fosfat tricalcic -TCP -Ca3(PO4)2 1,5Fosfat monocalcic monohidrat MCPM Ca(H2PO4)2 * H2O 0,5

Fosfat monocalcic anhidru MCPA Ca(H2PO4)2 0,5

Fosfat dicalcic anhidru, moneit DCPA CaHPO4 1,00

Fosfat dicalcic dihidrat,bruit DCPD CaHPO4 * 2H2O 1,00

Fosfat tetracalcic TTCP Ca4(PO4)2O 2,0

Fosfat octocalcic OCP Ca8H2(PO4)6 * 5H2O 1,33

Hidroxiapatit Hap Ca10(PO4)6(OH)2 1,67Hidroxiapatit deficit n calciu CDHap Ca9(HPO4)(PO4)5OH 1,5

. Diferite forme de fosfai de calciu, abrevierea lor,formula chimic i raportul Ca/P


27/41

Procese in sinteza matricilor


28/41

Reprezentarea schematica a formarii cristalelor

de hidroxiapatita pe membrana de colagen prin

intermediul acidului citric

Colagen- hidroxiapatita-

acid citric

Pentru cresterea capacitatii de

formare a hidroxiapatitei pemembrane colagenice s-a propus

utilizarea acidului citric ca agent

de complexare, cunoscut fiind

faptul ca mai bine de 70% din

cantitatea de citrat existenta inorganism este localizata la nivelul

sistemului osos.

Acidul citric se leaga de membrana colagenica la functiile -OH, -C=O,

-NH2, prin legaturi de hidrogen, prin intermediul functiilor hidroxilice.Sarcinile negative ale acidului citric pot chelatiniza simultan cu ioni de

Ca2+ din solutie formnd complex Ca-citrat. Se formeaza agregate prin

adsorbtia ulterioara a fosfatilor si ionilor de calciu, rezultnd structuri

tridimensionale care se pot constitui ca nuclee pentru cristalele de

hidroxiapatita.


29/41

Alte materiale:

- colagen + hidroxiapatita + acid hialuronic;

- microsfere de colagen cu hidroxiapatita- chitosan + hidroxiapatita

Date de microscopie optica a compozitului colagen-hidroxiapatita


30/41

SuportulSuportul -- cartilajcartilaj

Cartilajul prezinta o capacitate redusa de autorefacere datorita naturiisale nevascularizate. Din aceasta cauza, in prezent se practica

reconstructia sa plastica sau chirurgia ortopedica ca tratamente pentru

pacientii cu defecte datorate artritelor, anomaliilor congenitale sau

traumelor diferite.

Terapiile includ:

-transplantul;

-implantul de dispozitive protetice artificiale.

Amndoua tehnici prezinta insadezavantaje:-transplantul presupune gasirea de tesuturi donatoare;

-apar dificultati legate de marimea grefei si fixarea acesteia;

-protezele pot produce toxicitate datorita adeziunii la interfata

cu ruptura.


31/41

Sistemul model

Condrocitele izolate se insamanteaza pe suporturi de polimer

biodegradabil si se realizeaza culturi in vitro, in capsule petri,

recipient cu elice sau bioreactor, inainte de implantarea in vivopentru a forma un neocartilaj sau pentru a repara cartilajul

articular.

Se folosesc casuporturi biodegradabile:

-colagen;-acid hialuronic;

-acid poliglicolic

care asigura o structura 3D pentru atasarea celulelor si stabileste

marimea si forma tesutului proiectat. In conditiile specifice ale

culturii in vitro, condrocitele prolifereaza in interiorul suportului

si secreta matricea extracelulara cartilaginoasa formata din

glicozoaminoglicani si colagen. Degradarea suportului in paralel

cu regenerarea tesutului conduce la o biocompatibilitate in timp.


32/41

Fig.7 Sistemul model

Suportul poate fi proiectat astfel inct sa corespunda criteriilor specifice ingineriei tisulare.Astfel, ideal ar fi ca materialul:

a) sa fie reproductibil intr-o structura poroasa 3D permitnd o distributie spatiala

uniforma si diminuarea constrngerilor difuzionale din timpul culturii in vitro;

b) stimularea proliferarii celulare si secretia matricii extracelulare fara aparitia

efectelor secundare sau toxice;

c) biodegradarea intr-un ritm controlabil.


33/41

Alte potentiale avantaje:

- utilizarea att a condrocitelor autografe ct si alografe;

- imunoprotectia oferita de sechestrarea antigenelor

suprafetelor celulelor de catre matricea extracelulara generata in

timpul culturii in vitro;

- abilitatea de control a culturii in vitro;

- posibilitatea cresterii in vitro a cartilajului in mod

continuuu si astfel complet integrat cu tesutul gazda in care se

implanteaza.


34/41

Suport polimeric:Suport polimeric:ex. Material fibrosex. Material fibrossau burete porossau burete poros

Celule precursoare:Celule precursoare: Bioreactor:Bioreactor:Ex. Vas rotativEx. Vas rotativ

Produs al ingineriei tisulareProdus al ingineriei tisulare

Aplicatia:Aplicatia:

Sistem celula polimerSistem celula polimer -- bioreactorbioreactor


35/41

Ingineria tisulara a cartilajuluiIngineria tisulara a cartilajului


36/41

nativanativanativanativa

Structura cartilajului produsStructura cartilajului produs

Riesle et al., J Cell Biochem

71: 313, 1998

Retea de colagen (Scanning Electron Micrograph)


37/41

AsambluAsamblu

Crestere 3 DCrestere 3 D

Formare MatriceFormare Matrice

DiferentiereDiferentiere

VascularizareVascularizare

Formeze un tesut de tip os sau cartilaj

CeluleCelule


38/41

Surse de CeluleSurse de Celule


39/41

CeluleCelule

Cerinte esentiale:

Stimulare proliferare fara pierde apluripotentei

Diferentiere directa in liniile celularedorite.


40/41

Agenti farmaceuticiAgenti farmaceutici

Caracteristici:

Diferiti agenti necesari in diferite stadiide dezvoltare a celulei spre tesut osos

Suporturi proiectate astfel incat saelibereze diferiti factori la anumite

intervale de timp bine precizate


41/41

Agenti farmaceuticiAgenti farmaceutici

Hormoni, factori de crestere:

Stimulaeaza proliferarea celulara

Diferentiere directa a celulelormultipotente in tesut specific

Exemple:

dexamethasone factor de crestere de tip insulina-I (IGF-I)

proteina morfogenetica a osului-2 (BMP-2)

medicina regenerativa6 [compatibility mode]

Documents