Cells, Scaffolds, and Biofactors: From Functional to Translational Tissue Engineering

Regenerative medicine approaches based on engineering cells and biomaterial scaffolds into ‘spare-part’ tissues promise to shape the future of reconstructive surgery and organ transplantation. Até à data, o uso in vitro de tecidos funcionais em crescimento para posterior implantação em defeitos dos tecidos in vivo continua a ser experimental, apesar de alguns sucessos clínicos iniciais . Nesta abordagem, combinações de células e moléculas bioativas são semeadas em andaimes biomateriais tridimensionais

podem ser obtidas a partir de uma variedade de fontes, incluindo células estaminais embrionárias, células estaminais / progenitoras pós-natais e adultas, ou as células estaminais pluripotentes induzidas mais recentemente descobertas (iPS). A abordagem comum na regeneração de tecidos tem sido isolar as células de biópsias de tecidos ou aspirar, manipulá-las e reintroduzi-las no hospedeiro . Para a regeneração óssea, foram investigadas fontes celulares múltiplas, incluindo aspirados de medula óssea fresca. ; células estaminais / progenitoras da medula óssea purificadas, expandidas em cultura , osteoblastos e células que foram geneticamente modificados para expressar fatores osteogênicos , tais como rhBMP , células sanguíneas do cordão umbilical, células estaminais/progenitoras derivadas da adipose ou células estaminais embrionárias . A percepção das vantagens e desvantagens destas fontes celulares na engenharia de tecidos ósseos foi recentemente revista .um dos principais desafios do transplante de células é o custo e a complexidade associados ao desenvolvimento de estratégias experimentais em produtos aprovados pela regulamentação. O processamento de células Intra-operativas, embora imune à aprovação regulamentar, só pode servir como ponto de atendimento para um paciente de cada vez. Uma vez que as células são manipuladas fora do local, a aprovação regulamentar é automaticamente necessária. A transplantação celular tem encontrado uma série de barreiras para a tradução clínica, incluindo a rejeição imunitária potencial para células não autólogas, transmissão de patógenos, tumorigénese potencial, custos associados com a embalagem, armazenamento e Transporte, vida útil e relutância dos médicos e seguros em adoção clínica . A sobrevivência celular no hospedeiro é também um problema instável, independentemente da fonte celular, e há debate sobre se as células transplantadas são regenerativas per se ou simplesmente atuam como uma fonte pleiotrópica de fatores e sinais, especialmente em sua capacidade de regular a inflamação . Estas barreiras continuarão a ser desafios para a implementação de osso artificial como um tratamento clínico num futuro próximo. Um paradigma alternativo é ativar as células estaminais endógenas para participar da regeneração óssea. Um caso em questão são as células progenitoras periósteas, que são activadas por lesões e desempenham um papel indispensável na reparação de fracturas . Se a simples mobilização e encaminhamento de células estaminais endógenas para o local de defeito será suficiente para a regeneração e tem vantagens sobre o transplante de células exógenas permanece por provar.a montagem das células na necessária forma tridimensional (3D) do defeito ósseo requer um andaime biomaterial que fornece e retém as células e estimula e orienta potencialmente a indução da regeneração dos tecidos. Os requisitos mínimos dos andaimes biomateriais para além do sustento da forma (FORMA e tamanho 3D) incluem a fixação (fixação da fixação ao osso do hospedeiro e micro-movimento de minimização), a função (estabelecimento de suporte mecânico temporário ou permanente) e a formação (fornecimento de porosidade adequada para o transporte de massa, revascularização, osteoindução e osteocondução) . As características de biocompatibilidade adicionais também devem ser satisfeitas em andaimes biomateriais, incluindo a ausência de imunogenicidade e toxicidade. Além disso, os andaimes podem ser melhorados por funcionalização da superfície para provocar afinidade à ligação celular e modulação interativa da resposta das células, e podem ser projetados para entrega localizada e controlada de várias moléculas bioativas.os andaimes podem derivar de tecidos nativos e polímeros biológicos e/ou polímeros sintéticos, e podem ser fabricados usando uma variedade de técnicas convencionais (revisadas em ). Entre essas técnicas, a fabricação de forma livre sólida (SFF) oferece vantagens distintas em permitir o controle requintado da forma do andaime e arquitetura interna baseada na modelagem 3D do defeito ósseo guiada por imagens médicas . Recentemente, a bioprinting 3D foi possibilitada pela disponibilidade comercial de sistemas de Impressão 3D multi-injetores de baixa temperatura, alta resolução, que foram originalmente desenvolvidos para aplicações de prototipagem rápida. Esta tecnologia foi adaptada com sucesso para a engenharia de tecidos ósseos com pó de fosfato de cálcio biocompatível e osteoindutor e sistema de ligante biocompatível para impressão 3D guiada por TC de andaimes específicos do doente . As capacidades multi-injetores de uma impressora 3D colorida potencialmente permitem a incorporação de combinações de biofatores e moléculas dentro do andaime com controle espacial, o que pode ser atraente em cenários que podem exigir controle espaciotemporal sobre cinética de liberação. No entanto, uma recente revisão de scaffolds para engenharia de tecidos ósseos pintou um quadro sombrio para translacional progresso do campo , que continua cheio de desafios técnicos do projeto, na fabricação, e functionalizing andaimes, aprovação regulamentar as barreiras, os desafios de negócios relacionados ao cumprimento da identificação de nichos de mercado e a geração de grandes investimentos iniciais necessários para sustentar os negócios através de demorados processo de regulamentação e de propriedade intelectual (IP) problemas de ciclo de vida que deve proteger o produto suficientemente longo para além do processo de regulamentação para recuperar o investimento e tornar estes produtos comercialmente viáveis.o fornecimento de biofactores e moléculas pode alterar a sinalização celular no meio do defeito e tem sido mostrado influenciar o resultado da regeneração. Um paradigma popular na engenharia de tecidos sugere que a reativação de fatores de desenvolvimento e sinalização pode ser necessária para a verdadeira regeneração do tecido adulto perdido . No entanto, não é claro se os complexos gradientes e cascatas de sinalização de desenvolvimento precisam ou podem ser replicados fielmente na reparação de tecidos pós-natal. Independentemente disso, a nossa compreensão da biologia do desenvolvimento do sistema músculo-esquelético, e mais especificamente da formação óssea endocondral e intramembranosa no embrião, fornece-nos uma infinidade de informações sobre factores que, quando aplicados individualmente, podem melhorar a regeneração óssea. Esta última abordagem mais simples é preferível para a tradução terapêutica.

a case in point has been the discovery of bone morphogenetic proteins( BMP), which were discovered by Marshall Urist and touted for their osteoinductive properties . Estudos científicos de base utilizando ratinhos transgénicos nos quais as BMPs individuais foram arrancadas selectivamente do esqueleto dos membros identificaram o BMP-2 como um factor crítico na capacidade regenerativa inata do osso . A combinação de bmp-2 recombinante humano num suporte absorvível de esponja de colagénio (SCA) foi um dos sistemas mais estudados em investigações pré-clínicas e clínicas, e representa uma das descobertas terapêuticas ortopédicas mais significativas . Com dados de ensaios clínicos de Nível 1 de suporte, o rhBMP-2/ACS (Infuse® Bone Graft) está disponível comercialmente, no momento da redacção, para três indicações clínicas aprovadas pela Food and Drug Administration (FDA), incluindo a fusão espinhal, fracturas tibiais abertas com fixação intermedular (IM) das unhas, aumento oral e Maxilofacial (aumento sinusal, e aumento alveolar de cristas para defeitos associados a tomadas de extracção) . No entanto, a eficácia dos enxertos ósseos por perfusão requer concentrações suprafisiológicas de BMP-2, e numerosos acontecimentos adversos foram registados na FDA e notificados na literatura em indicações aprovadas e utilizações fora do rótulo . Por conseguinte, a identificação de doses eficazes de BMP-2 (e talvez outros factores osteogénicos e vasculogénicos) para a regeneração de defeitos ósseos críticos, de preferência com efeitos secundários toleráveis e subclínicos, continua a ser um desafio comum para a comunidade de regeneração de tecidos.uma perspectiva emocionante tem sido a descoberta do valor terapêutico de hormonas sistémicas como a hormona paratiroideia (PTH) na reparação de fracturas e engenharia de tecidos de defeitos diafisais críticos em modelos pré-clínicos . Esta abordagem de fornecimento sistêmico pode superar os desafios associados com a entrega local, mas permanece para ser clinicamente validado.em suma, cada um dos componentes individuais da tríade convencional de engenharia de tecidos (células, andaimes e biofactores) traz desafios únicos. A otimização destas construções compósitas em substitutos funcionais dos tecidos é tipicamente realizada empiricamente no laboratório ex vivo utilizando modelos de cultura de células e tecidos e in vivo utilizando modelos animais pré-clínicos. No entanto, esta abordagem tem enfrentado obstáculos difíceis à tradução do banco para o lado da cama. Um produto médico com três componentes teria pelo menos três combinações possíveis de variáveis independentes (em que ni é o número de possíveis variáveis associadas à i-ésimo componente do produto com três componentes), o que torna impossível a viabilidade de testar a matriz experimental numa investigação abrangente. Isso tem limitado os avanços no campo a apenas descobertas incrementais, apesar de desenvolvimentos emocionantes e tecnologias de ponta que têm sido relatados em pequenos modelos animais e pré-clínicos. Os requisitos regulamentares dos produtos de regeneração óssea multicomponentes impediram e continuam a retardar a tradução clínica. No entanto, abordagens regenerativas inovadoras de “ponto de cuidado”, guiadas pelo paradigma da engenharia de tecidos, têm sido relatadas na literatura clínica com notáveis sucessos iniciais.