Desenvolvimento de um substituto ósseo a partir da associação de biomateriais com células-tronco

Abstract

Introdução: A perda óssea, seja por fraturas, remoção por conta de tumores ou doenças como a osteoporose, representa uma grande preocupação no que se refere a saúde humana. Nesse contexto, a engenharia de tecidos na medicina regenerativa, pode ser utilizada visando a produção de substitutos para o tecido lesado ou removido. Diversas técnicas têm sido utilizadas na produção de biomateriais, ou scaffolds, que mimetizam a matriz extracelular nativa para cultivo de células. As células-tronco mesenquimais são capazes de se diferenciar em diversos tipos celulares tais como os osteoblastos, além de possuírem alta capacidade de replicação. Objetivos: Desenvolver scaffolds para uso em associação com células-tronco mesenquimais provenientes de dentes decíduos esfoliados humanos, visando posterior aplicação na medicina regenerativa relacionada ao tecido ósseo. Métodos: As células-tronco mesenquimais foram isoladas de dentes decíduos esfoliados e caracterizadas. A viabilidade dessas células foi testada quando cultivadas em vários biomateriais, como o hidrogel de alginato em diversas concentrações e solventes, como produzido por deposição manual e bioimpressão. Além disso, as células foram cultivadas em estruturas de policaprolactona em duas diferentes formas, impressos tridimensionais e fibras obtidas por eletrofiação, bem como foram expostas a biocerâmicas durante o cultivo. Ensaio de Live/Dead com calceína e iodeto de propídeo foi realizado para avaliação qualitativa da viabilidade. Por fim, os scaffolds foram testados em conjunto em uma avaliação in vitro e em um teste piloto in vivo. Resultados: Vista a utilidade da presença da biocerâmica na diferenciação osteogênica, a concentração desse biomaterial utilizado no trabalho foi a de 1mg/mL, uma vez que foi possível manter a viabilidade celular. Para a formação do hidrogel foi escolhida uma concentração de 3% de alginato, utilizando a água como solvente. A bioimpressão incrementou a viabilidade aos 20 dias de cultivo. A utilização de todos os biomateriais em associação permitiu a formação de um scaffold rígido com células viáveis e que se diferenciaram na linhagem osteogênica. Com os resultados qualitativos do teste piloto in vivo foi possível observar que o defeito gerado não foi totalmente regenerado espontaneamente. Já a adição dos biomateriais mostrou neotecido integrado aos biomateriais e a avaliação histológica, demonstrou capacidade de produção de matriz mineralizada. Conclusão: Foi possível a construção de um scaffold a partir da associação de diversos biomateriais, originando um ambiente tridimensional no qual as células puderam colonizar, proliferar e se diferenciar na linhagem osteogênica. O teste in vivo indicou a possibilidade de utilizar esse scaffold para a substituição do tecido ósseo. Sendo assim, o biomaterial produzido representa um sistema promissor para o cultivo de células-tronco mesenquimais, visando a mimetização do tecido ósseo nativo que pode ser utilizado para a restauração quando aplicado na medicina regenerativa.

Introduction: Bone loss, whether due to fractures, removal as a result of tumors or to diseases such as osteoporosis, is a major concern for human health. In this context, tissue engineering combined with regenerative medicine can be used to produce substitutes for damaged or removed tissue. Several techniques have been applied in the production of scaffolds that mimic the native extracellular matrix for cell culture. Mesenchymal stem cells are able to differentiate into several cell types, among them osteoblasts, besides having a high capacity for replication. Objectives: To develop scaffolds for use in association with mesenchymal stem cells from human exfoliated deciduous teeth for later application in regenerative medicine related to bone tissue. Methods: Mesenchymal stem cells were isolated from exfoliated deciduous teeth and characterized. The viability of these cells was tested when cultivated in various biomaterials, such as alginate hydrogel in various concentrations and solvents, which were produced by manual deposition and bioprinting. In addition, the cells were cultivated in polycaprolactone structures in two different forms, threedimensional prints and electrospun fibers, as well as exposed to bioceramics during cultivation. A Live/Dead assay with calcein and propidium iodide was performed for qualitative viability measurement. Finally, the scaffolds were tested together in an in vitro evaluation and in vivo pilot test. Results: The bioceramic concentration chosen for the study was 1mg / mL, although it did not promote an increase in cell viability. The ideal alginate concentration for hydrogel formation was chosen as 3% using water as a solvent. Bioprinting increased cell viability at 20 days of cultivation. The use of all biomaterials in combination allowed for the formation of a rigid scaffold with viable cells that differentiated in the osteogenic lineage. With the qualitative results from the in vivo pilot test it was possible to observe that the generated defect was not completely spontaneously regenerated. The addition of biomaterials, however, seems to have caused a formation of a neotissue near the biomaterials and the histological analysis showed potential in mineralizing matrix production. Conclusion: It was possible to build a scaffold from the association of several biomaterials, resulting in a three-dimensional environment in which the cells could colonize, proliferate and differentiate into the osteogenic lineage. In vivo testing indicates the possibility of using this scaffold for bone tissue replacement. Thus, the scaffold produced represents an interesting system for the cultivation of mesenchymal stem cells for mimicking native bone tissue that can be used for restoration when applied in regenerative medicine.