Curs7-Inginerie citotisulara

7/21/2019 Curs7-Inginerie citotisulara

http://slidepdf.com/reader/full/curs7-inginerie-citotisulara 1/41

Inginerie citotisularaInginerie citotisulara

si organe artificialesi organe artificiale

CURS 7

Ingineria tisulara a osului siIngineria tisulara a osului sicartilajuluicartilajului



Ţesutul osos este unul dintre numeroaseletipuri de ţesut conjunctiv ce se găseşte în

organism, care implică o matrice extracelularăbogată în colagen. Alte exemple de ţesutconjunctiv sunt cartilajul, ligamentele,tendoanele, muşchii.

Ţesutului osos i se atribuie trei funcţii importante în

organismul uman:

(i)oferă sprijin mecanic precum şi suport pentru inserarea

muşchilor,

(ii)are un rol protector pentru organele interne şi măduvă,

(iii)furnizează ionii necesari pentru funcţionarea normală a

organismului



Ţesutul osos în sine este compus din mai multe tipuri de celulediferite ecare cu funcţia lor specică, precum şi o matriceextracelulară, așa cum se poate observa din gura 1. Matriceaextracelulară este compus din !" de colagen de tip # şiproteoglicani, împreună cu proteine noncolagenice, !".$roteoglicanii sunt molecule de greutate moleculară ridicatăderivaţi din proteine şi poli%a&aride, care, de obicei, se găsesc înţesuturile structurale şi cele con'unctive. (n exemplu deproteoglicani sunt )*), frecvent înt+lniţi la nivelul ţesutului ososc+t şi cel cartilaginos.

Structura tesutului osos cortical si spongios



sul este un ţesut de legătură, format dintr-o matriceextracelulară minerali%ată şi celule speciali%ate osteoblaste - /,

osteocite şi osteoclaste - 0. $rincipalul component organic almatricei este colagenul de tip #, ce este în procent de ", şirestul de 1" este repe%entat de o serie de proteine nestructuralede dimensiuni mici, printre care se găseşte osteocalcina,osteonectina, unele fosfolipide, siloproteine, factori de creştere şi

proteine serice.

2a%a anorganică este alcătuită din cristale minuscule dintr-un mineral cu caracter alcalin, 3ap. *ceste cristale se încrucişea%ăcu brele de colagen pentru a forma un material ce întruneştecaracteristicile adecvate de rigiditate, 4exibilitate şi re%istenţă.



/, celulele formatoare de os, lucrea%ă în grupuri pentru asegrega şi a minerali%a, pac&ete din matricea osoasă.Microscopic, / active, sunt observate precum nişte celulecuboidale, cu un reticul endoplasmatic proeminent, caracteristiccelulelor secretoare de proteine, situate la suprafaţa osoasă5gura 67. *ceste celule sinteti%ea%ă din abundenţă fosfata%ăalcalină, o en%imă care contribuie la minerali%area matriceiextracelulare.

8c&ema de formaresi resorbţie a

ţesutului osos înfuncţie de sarcinile

aplicate



!aze distincte"

9#aza de repaus c+nd suprafaţa ţesutului osos esteacoperită cu celule inactive. / sunt xate în matricea

minerali%ată.

9#aza de activarea stimulii &ormonali sau %ici trimit

semnale către monocitele mononucleare şi macrofagepentru a migra la locul unde este necesară remodelareaşi pentru a se diferenţia în 0.9#aza de resorbţie 0 încep să elimine

componentele organice şi minerale de la nivelulţesutului osos precum şi formarea unei cavităţicaracteristice denumite lacuna lui 3o:s&ip, la nivelulţesutului osos trabecular c+t şi la nivelul ţesutuluicortical.



•Faza de inersie: OC dispar, iar celulele macrofage mononuclearese aglomerează în zona resorbită de către osteoclaste, depozitând osubstanţă care va favoriza depunerea noului ţesut osos; după care

pre-osteoblstele încep să apară datorită unor factori de stimulare

precum I!-" #i $!-%&

•Faza de formare' O( se diferenţiază #i acoperă cavitatea formatăde OC ducând la formarea de noi osteoni prin depunerea de colagen

de tip I&



Remodelarea ţesutului osos



$.%ormonii"

Hormonul paratiroidian 5$;37< formarea şiactivitatea 0= < proliferarea şi activitatea / > < turnover $;3 intermitent < formarea ţesutuluiosos ?in vivo@ $;3 în do%e mari < resorbţie osoasă >pierderea ţesutului osos.Vitamina D: < formarea şi activitatea 0=

A proliferarea /=

< diferenţierea / Becesară pentru minerali%area matricei osoasedecienţă > ra&itism.Calcitonina: A formarea şi activitatea 0.Glucocorticoizii:

Becesari pentru de%voltarea şi funcţionareanormală a osului Cn exces > pierdere de ţesut ososD osteoporo%ă.Hormoni de creştere Becesari pentru creşterea normală a sc&eletului.Hormonii sexuali 5estogeni şi androgeni7 A formarea şi activitatea 0= < activitatea /



!" Factori locali:!actorii de cre#tere #i citoc)inele' *fect variabil asupra formării #i activităţii OC #i O(+lte molecule'

rostaglandinele' . activitatea OC/eucotrinele' formarea #i activitatea OC +$ e0tracelular' formarea #i activitatea OC, .activitatea O( (radi1inina' formarea #i activitatea OCC2 3Calcitonin-ene 2elated eptide4' . formarea #iactivitatea OC



#"$genţi anorganici %locali &i sistemici' :

56 e0tracelular 3p5 7 8,"4' activitatea OC, . activitatea O(O9

:-' . formarea #i activitatea OC

Ca"6 ' . formarea #i activitatea OC 3efect limitat4!- ' formarea osoasă5ipo0ia' formării OC, . funcţiei O(O0idul nitric' . formarea #i activitatea OC, . activitatea O(,intervine în răspunsul la solicitări mecanice

(")fecte mecanice:

ncărcături regulare ciclice' activitatea O(, formarea osoasă&+bsenţa greutăţilor' formarea #i activitatea OC<c)imbări ma=ore ale presiunii )idrostatice' apoptoza OC



*ropriet+ţile mecanice ale ţesutului osos

Ţesut osos cortical Rezistenţ+ %,*a - s"d"',odulul de elasticitate

%.*a - s"d"'

Compresiune

$ractiune

$orsiune

>?@ A :B >?,B A "?,?

>> A "? 8,> A "?,"

B A D E

Ţesut osos spongios Rezistenţ+ %,*a - s"d"',odulul de elasticitate

%,*a - s"d"'Compresiune >,E>" 9@E9@@

&abelul '. (roprietaţile mecanice ale

ţesutul osos uman



refele osoase sunt necesare pentru repararea tesuturilorlezate ca urmare a' F traume

- boli F defecte congenitale

2estabilirea functiei osoase F prote=are organe vitale F medierea activitatilor de

pendente de musculosc)elet

Perspective clinicePerspective clinice Os sanatos

Os - osteoporoza



Semnificatie clinicaSemnificatie clinica

$esutul osos ocupa locul " intre cele maitransplantate tesuturi' F B9:,@@@ proceduri anuale 3G<+4 F cost H B@@ milioaneJan 3G<+4

Katura transplantului F 9L autologe F 9L alogenice F >@L sintetice

>@L dintre grefe esueaza



Grefe osoase autologeGrefe osoase autologe$ransplantul de tesut de la acelasi pacient -

M<timulare NindecareImbunatatiri clinice'

F celule, factori de crestere in tesutul grefat

ot fi remodelate' F nou os format F grefa transplantata resorbita

/imitari' F disponibilitatea de tesut donor 3forma si marime4 F doua interventii c)irurgicale 3dureros pentru pacient,

cost ridicat4



Grefe alogenice si sinteticeGrefe alogenice si sintetice

MInlocuirea functiei tesutului+vanta=e

F varietate de forma si marime F interventie c)irurgicala unica

Pezavanta=e F

integrare slaba F rupturi mecanice in material



Strategia in ingineria tisulara aStrategia in ingineria tisulara a

osuluiosului

roducerea de materiale cu caracteristicisimilare grefelor osoase autologe

roducerea de materiale cu compozitie similaragrefelor osoase autologe

F celule si factori de crestere in matrice colagenicemineralizata



Strategia in ingineria tisulara aStrategia in ingineria tisulara a

osului si cartilajuluiosului si cartilajului

<uport

Aplicatie

clinica

Celule

<ubstanteactive

Cultura de celule



SuportulSuportulPefinit de forma tesutului care trebuie vindecatQacroporos cu suprafata e0tinsa pentru a

favoriza adeziunea celulara si dezvoltarea detesut

oldstein et al& Tissue Eng /'9">, >DDD



Pentru ingineria ţesutului osos, materialele desubstituţie trebuie să prezinte:•Biocompatibilitate: lipsa răspunsului imunogenic.•Biodegradabilitate: este un material ce odată implantat

sufera un fenomen de degradare (enzimatică, acidă,

bazică), prin interacţiune cu sistemele biologice. Acestădegradare se produce ca rezultat al unui proces de alterareşi transformare al implantului datorită acţiunilor celulare,enzimatice, bacteriane sau virale.



•Osteoconductivitate: este o proprietate pasivă aunui material ce permite acceptarea şi conducerea

creşterii osoase. Aceasta creştere se realizează prininvazia vasculară şi celulară.

•Osteoinductivitate: este capacitatea unui material dea induce o diferenţiere celulară până la sinteza matriceiosoase mineralizate.

•Osteogenitate: reprezintă formarea ţesutului ososnou format din osteoblaste.

•Proprietăţi mecanice: materialele de substituţietrebuie să posede proprietăţi mecanice asemănătoare

cu cele ale ţesuturilor nvecinate pentru a preveni undezec!ilibru mecanic, care poate duce la stres şiresorbţie osoasă.



SuportulSuportul

Caracteristici esentiale F stimuleze functiile celulare' factori bioactivi pe

suprafata materialului, medicamentJgene in

material

F complianteJdegradare



Pintre diferitele solutii care s-au propus ca materiale desubstitutie a osului sau care sa a=ute regenerarea acestuia se pot citaceramicile de )idro0iapatita, amestecate sau nu cu colagen&

Qaterialele cu colagen - foarte bune biocompatibilitati de#i

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

Gn biomaterial implantabil s-a realizat prin formarea treptată decristale de )idro0iapatită într-o matrice tip burete de colagen

liofilizat&

Suportul - osSuportul - os



RezultateIn timp ce buretele de colagen netratat s-a degradat rapid 3într-o zi4, implantul încărcat cuminerale a fost capabil să-#i menţină integritatea timp de " săptămâni& In cultura de celule s-a pusîn evidenţă o degradare medie a implantului printr-o descre#tere a conţinutului de calciu&

Qorfologia colagenul liofilizat #i forma sa mineralizată 3conţinând fosfat de calciu4 arata castructura poroasă a colagenului liofilizat original a fost menţinută când s-a realizat depunereacristalelor de fosfat de calciu de formă aciculară& +ceasta are o semnificatie deosebita atuncicând se a#teaptă ca matricea de colagen să fie utilizata pentru cre#terea #i proliferarea celulară,difuzia celulelor fiind dependenta de marimea porilor suportului&

(uretele colagenic are, în stadiul uscat, pori cu dimensiunea de >@@ µm, care-si vor mari volumulîn stare umflată, în mediul de cultură& Qenţinerea porozităţii în cadrul mineralizării indică faptulcă matricea este stabilizată fără a se apela la reticulări cu compusi micromoleculari #i oferă unMmodel pentru aderenţa celulară&

()strarea mor!ologiei celulare, rotunde originale, asociat) cuinteractiunea moderat) celul)*substrat indic) în general !aptul cacelula îsi mani!est) !unctia sa di!erential).

+entinerea mor!ologiei celulare si cresterea num)rului de celulepentru un interval de studiu de doua s)pt)mni recomanda acest

biomaterial compozit pentru realizarea unor produse care sa!unctioneze ca suport pentru culturi de osteocite si condrocite,



Fosfat de calciu Colagen 0S

Fosfat de calciu

sintetic

*olimerCompozit Fosfat de

calciu 1 *olimer

R

R

2" *roprietati care sa simuleze pe cele ale osului natural

!" 3ioactiitate

Pif it f d f f ţi d l i b i



Componentul +breviere !ormulă c)imică 2aport CaJ

S-!osfat tricalcic S-$C 45Ca#%*0('! >,%-!osfat tricalcic %-$C 65Ca#%*0('! >,!osfat monocalcic mono)idrat QCQ Ca%!*0('! 8 !0 @,

!osfat monocalcic an)idru QC+ Ca%!*0('! @,

!osfat dicalcic an)idru, moneit PC+ Ca*0( >,@@

!osfat dicalcic di)idrat, bru#it PCP Ca*0( 8 !!0 >,@@

!osfat tetracalcic $$C Ca(%*0('!0 ",@!osfat octocalcic OC Ca9!%*0(' 8 /!0 >,::

5idro0iapatită 5ap Ca2;%*0('%0'! >,B85idro0iapatită deficită în calciu CP5ap Ca<%*0('%*0('/0 >,

& Piferite forme de fosfaţi de calciu, abreviereaor,

formula c)imică #i raportul CaJ



rocese in sinteza matricilor

Colagen hidroiapatita



Reprezentarea schematica a formarii cristalelor

de hidroxiapatita pe membrana de colagen prin

intermediul acidului citric

Colagen- hidroiapatita-

acid citric

entru cresterea capacitatii deformare a )idro0iapatitei pe

membrane colagenice s-a propusutilizarea acidului citric ca agentde comple0are, cunoscut fiindfaptul ca mai bine de 8@L din

cantitatea de citrat e0istenta inorganism este localizata la nivelulsistemului osos&

+cidul citric se leaga de membrana colagenica la functiile -O5, -CRO,

-K5", prin legaturi de )idrogen, prin intermediul functiilor )idro0ilice&<arcinile negative ale acidului citric pot c)elatiniza simultan cu ionide Ca"6 din solutie formând comple0 Ca-citrat& <e formeaza agregate

prin adsorbtia ulterioara a fosfatilor si ionilor de calciu, rezultând

structuri tridimensionale care se pot constitui ca nuclee pentrucristalele de )idro0iapatita&



Alte materiale!

- colagen 6 )idro0iapatita 6 acid )ialuronic;- microsfere de colagen cu )idro0iapatita- c)itosan 6 )idro0iapatita

Date de microscopie optica a compozitului colagen-hidroxiapatita



Suportul - cartilajSuportul - cartilaj

Cartila=ul prezinta o capacitate redusa de autorefacere datorita naturii

sale nevascularizate& Pin aceasta cauza, in prezent se practicareconstructia sa plastica sau c)irurgia ortopedica ca tratamente pentru

pacientii cu defecte datorate artritelor, anomaliilor congenitale sautraumelor diferite&

$erapiile includ'-transplantul"-implantul de dispozitive protetice artificiale#

+mândoua te)nici prezinta insa dezavantaje'-transplantul presupune gasirea de tesuturi donatoare"-apar dificultati legate de marimea grefei si fiarea acesteia"- protezele pot produce toicitate datorita adeziunii la interfata

cu ruptura#

Si t l d l



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 vivo

pentru a forma un neocartila= sau pentru a repara cartila=ularticular&

<e folosesc ca suporturi $iodegrada$ile'

-colagen"-acid hialuronic"-acid poliglicolic

care asigura o structura :P pentru atasarea celulelor si stabilestemarimea si forma tesutului proiectat& In conditiile specifice aleculturii in vitro, condrocitele prolifereaza in interiorul suportuluisi secreta matricea e0tracelulara cartilaginoasa formata dinglicozoaminoglicani si colagen& Pegradarea suportului in paralelcu regenerarea tesutului conduce la o biocompatibilitate in timp&



Fig.7 Sistemul model

<uportul poate fi proiectat astfel incât sa corespunda criteriilor specifice ingineriei tisulare&+stfel, ideal ar fi ca materialul'a) sa fie reproducti$il intr-o structura poroasa %& permit'nd o distri$utie spatiala

uniforma si diminuarea constr'ngerilor difuzionale din timpul culturii in vitro"

$) stimularea proliferarii celulare si secretia matricii etracelulare fara aparitia

efectelor secundare sau toice"

c) $iodegradarea intr-un ritm controla$il#



+lte potentiale avanta=e'

- utilizarea at't a condrocitelor autografe c't si alografe"

- imunoprotectia oferita de sechestrarea antigenelor

suprafetelor celulelor de catre matricea etracelulara generata in

timpul culturii in vitro"

- a$ilitatea de control a culturii in vitro"- posi$ilitatea cresterii in vitro a cartilajului in mod

continuuu si astfel complet integrat cu tesutul gazda in care se

implanteaza#



Suport polimeric:Suport polimeric: e0& Qaterial fibrose0& Qaterial fibros

sau burete porossau burete poros

Celule precursoare:Celule precursoare: 3ioreactor:3ioreactor:*0& Nas rotativ*0& Nas rotativ

*rodus al ingineriei tisulare*rodus al ingineriei tisulare

$plicatia:$plicatia:

Sistem celula polimer - bioreactor Sistem celula polimer - bioreactor



Ingineria tisulara a cartilajuluiIngineria tisulara a cartilajului



nativanativa

Structura cartilajului produsStructura cartilajului produs

2iesle et al&, T Cell (ioc)em

8>' :>:, >DD?

2etea de colagen 3<canning *lectron Qicrograp)4



samblu

samblu

Crestere 3 D

restere 3 D

Formare Matrice

ormare Matrice

Diferentiereiferentiere

Vascularizare

ascularizare

!ormeze un tesut de tip os sau cartila=

CeluleCelule



Surse de CeluleSurse de Celule



CeluleCelule

Cerinte esentiale'

F <timulare proliferare fara pierde a pluripotentei

F Piferentiere directa in liniile celularedorite&



Agenti farmaceutici Agenti farmaceutici

Caracteristici'

F Piferiti agenti necesari in diferite stadiide dezvoltare a celulei spre tesut osos

F <uporturi proiectate astfel incat saelibereze diferiti factori la anumiteintervale de timp bine precizate



Agenti farmaceutici Agenti farmaceutici

5ormoni, factori de crestere' F <timulaeaza proliferarea celulara

F Piferentiere directa a celulelormultipotente in tesut specific*0emple'

F de0amet)asone F factor de crestere de tip insulina-I 3I!-I4 F proteina morfogenetica a osului-" 3(Q-"4

Documents

Curs7-Inginerie citotisulara