Cells, schele și Biofactors: From Functional to Translational Tissue Engineering

medicina regenerativă abordările bazate pe celulele inginerești și schelele biomateriale în țesuturile pieselor de schimb promit să modeleze viitorul chirurgiei reconstructive și transplantului de organe. Până în prezent, utilizarea țesuturilor funcționale în creștere in vitro pentru implantarea ulterioară în defecte tisulare in vivo rămâne experimentală, în ciuda unor succese clinice timpurii . În această abordare, combinațiile de celule și molecule bioactive sunt însămânțate pe schele biomateriale tridimensionale

celulele pot fi recuperate dintr-o varietate de surse, inclusiv celule stem embrionare, celule stem / progenitoare postnatale și adulte sau cele mai recent descoperite celule stem pluripotente induse (iPS). Abordarea comună în regenerarea tisulară prin inginerie a fost izolarea celulelor de biopsii tisulare sau aspirate, manipularea lor și reintroducerea lor în gazdă . Pentru regenerarea osoasă, au fost investigate mai multe surse celulare, inclusiv aspirate proaspete de măduvă osoasă ; celule stem/progenitoare mezenchimale din măduva osoasă purificată, extinsă prin cultură , osteoblaste și celule care au fost modificate genetic pentru a exprima factori osteogeni , cum ar fi rhBMP , celule sanguine din cordonul ombilical, celule stem/progenitoare derivate din adipoză sau celule stem embrionare . Avantajele și dezavantajele percepute ale acestor surse celulare în ingineria țesutului osos au fost recent revizuite .

una dintre provocările esențiale ale transplantului de celule este costul și complexitatea asociate cu dezvoltarea strategiilor experimentale în produse aprobate de reglementare. Procesarea intraoperatorie a celulelor, deși este imună de aprobarea reglementară, poate servi doar ca serviciu de asistență pentru un pacient la un moment dat. Odată ce celulele sunt manipulate în afara site-ului, aprobarea de reglementare este necesară în mod automat. Transplantul de celule a întâmpinat o serie de bariere în calea traducerii clinice, inclusiv respingerea imună potențială pentru celulele non-autologe, transmiterea agentului patogen, tumorigeneza potențială, costurile asociate ambalării, depozitării și transportului, termenul de valabilitate și reticența medicilor și asigurarea în adoptarea clinică . Supraviețuirea celulară în gazdă este, de asemenea, o problemă neliniștită, indiferent de sursa celulară și există dezbateri dacă celulele transplantate sunt regenerative în sine sau pur și simplu acționează ca o sursă pleiotropică de factori și semnale, în special în capacitatea lor de a regla inflamația . Aceste bariere vor continua să fie provocări pentru punerea în aplicare a osului proiectat ca tratament clinic în viitorul previzibil. O paradigmă alternativă este activarea celulelor stem endogene pentru a participa la regenerarea osoasă. Un caz în acest sens este celulele progenitoare periostale, care sunt activate de leziuni și joacă un rol indispensabil în repararea fracturilor . Dacă mobilizarea simplă și localizarea celulelor stem endogene la locul defectului vor fi suficiente pentru regenerare și vor avea avantaje față de transplantul de celule exogene, rămâne de dovedit.

asamblarea celulelor în forma tridimensională necesară (3D) a defectului osos necesită un biomaterial de schelă care livrează și reține celulele și stimulează și ghidează potențial inducerea regenerării țesuturilor. Cerințele minime ale schelelor biomateriale în plus față de susținerea formei (forma și dimensiunea 3D) includ fixarea (asigurarea atașamentului la osul gazdă și minimizarea micro-mișcării), funcția (stabilirea unei sarcini mecanice temporare sau permanente) și formarea (asigurarea porozității adecvate pentru transportul în masă, revascularizare, osteoinducție și osteoconducție) . Caracteristicile suplimentare de biocompatibilitate trebuie, de asemenea, îndeplinite în schelele biomateriale, inclusiv lipsa imunogenității și a toxicității. Mai mult, schelele pot fi îmbunătățite prin funcționalizarea suprafeței pentru a provoca afinitate la legarea celulelor și modularea interactivă a răspunsului celulelor și pot fi proiectate pentru livrarea localizată și controlată a diferitelor molecule bioactive.

schelele pot proveni din țesuturi native și polimeri biologici și / sau polimeri sintetici și pot fi fabricate folosind o varietate de tehnici convenționale (revizuite în ). Printre aceste tehnici, solid freeform fabrication (SFF) oferă avantaje distincte în a permite un control rafinat al formei schelei și arhitectura internă bazată pe modelarea 3D ghidată de imagine medicală a defectului osos . Recent, bioprintarea 3D a fost activată de disponibilitatea comercială a sistemelor de imprimare 3D cu temperatură scăzută, de înaltă rezoluție, multi-injector, care au fost inițial dezvoltate pentru aplicații de prototipare rapidă. Această tehnologie a fost adaptată cu succes pentru ingineria țesutului osos cu pulbere de fosfat de calciu biocompatibil și osteoinductiv și sistem de liant biocompatibil pentru imprimarea 3D ghidată CT a schelelor specifice pacientului . Capacitățile multi-injector ale unei imprimante 3D colorate permit potențial încorporarea combinațiilor de biofactori și molecule în cadrul schelei cu control spațial, care poate fi atractiv în scenarii care ar putea necesita control spațiotemporal asupra cineticii eliberării. Cu toate acestea, o revizuire recentă a schelelor pentru ingineria țesuturilor osoase a pictat o imagine sumbră pentru progresul translațional al domeniului , care rămâne plină de provocări tehnice de proiectare, fabricare și funcționalizare a schelelor, bariere de aprobare a reglementărilor, provocări de afaceri legate de întâlnirea cu identificarea piețelor de nișă și generarea de investiții inițiale mari necesare pentru a susține afacerea prin procesul de reglementare îndelungat și de investiții și de a face aceste produse viabile din punct de vedere comercial.

livrarea de biofactori și molecule poate modifica semnalizarea celulară în mediul defect și s-a dovedit că influențează rezultatul regenerării. O paradigmă populară în ingineria țesuturilor sugerează că reactivarea factorilor de dezvoltare și semnalizarea ar putea fi necesare pentru regenerarea adevărată a țesutului ADULT pierdut . Cu toate acestea, nu este clar dacă gradienții și cascadele complexe de semnalizare a dezvoltării trebuie sau pot fi reproduse fidel în repararea țesuturilor postnatale. Indiferent, înțelegerea noastră despre biologia dezvoltării sistemului musculo-scheletic și, mai precis, formarea osoasă endochondrală și intramembranoasă în embrion ne oferă o multitudine de informații despre factori, care, atunci când sunt aplicați individual, pot spori regenerarea osoasă. Această din urmă abordare mai simplă este preferabilă pentru traducerea terapeutică.

un caz în acest sens a fost descoperirea proteinelor morfogenetice osoase (BMP), care au fost descoperite de Marshall Urist și lăudate pentru proprietățile lor osteoinductive . Studiile științifice de bază care utilizează șoareci transgenici în care BMP-urile individuale au fost eliminate selectiv din scheletul membrelor au identificat BMP-2 ca un factor critic în capacitatea regenerativă înnăscută a osului . Combinația de BMP-2 uman recombinant pe un purtător de burete de colagen absorbabil (ACS) a fost unul dintre cele mai studiate sisteme în investigațiile preclinice și clinice și reprezintă una dintre cele mai semnificative descoperiri ortopedice terapeutice . Cu susținerea datelor din studiile clinice de nivel 1, rhBMP-2/ACS (INFUSE implus bone Graft) este disponibil în comerț, la momentul scrierii acestui articol, pentru trei indicații clinice aprobate de Food and Drug Administration (FDA), inclusiv fuziunea spinală, fracturile tibiale deschise cu fixare intermediară (IM) a unghiilor, augmentarea orală și maxilo-facială (augmentări sinusale și augmentări alveolare ale creastei pentru defecte asociate cu prize de extracție) . Cu toate acestea, eficacitatea grefelor osoase infuzate necesită concentrații suprafiziologice de BMP-2, iar numeroase evenimente adverse au fost depuse la FDA și raportate în literatura de specialitate în indicații aprobate și utilizări în afara etichetei . Prin urmare, identificarea dozelor eficiente de BMP-2 (și poate alți factori osteogeni și vasculogeni) pentru regenerarea defectelor osoase critice, de preferință cu efecte secundare tolerabile și subclinice, rămâne o provocare comună pentru comunitatea de regenerare tisulară.o perspectivă interesantă a fost descoperirea valorii terapeutice a hormonilor sistemici, cum ar fi hormonul paratiroidian (PTH) în repararea fracturilor și ingineria tisulară a defectelor diafizice critice în modelele preclinice . Această abordare sistemică de livrare ar putea depăși provocările asociate cu livrarea locală, dar rămâne să fie validată clinic.

pentru a rezuma, fiecare dintre componentele individuale ale triadei convenționale de inginerie tisulară (celule, schele și biofactori) aduce seturi unice de provocări. Optimizarea acestor construcții compozite în înlocuitori de țesut funcțional, se efectuează de obicei empiric în laborator ex vivo folosind modele de cultură celulară și tisulară și in vivo folosind modele animale preclinice. Cu toate acestea, această abordare s-a confruntat cu bariere dificile în calea traducerii de la bancă la noptieră. Un produs medical cu trei componente ar avea cel puțin 3NI combinații posibile de variabile independente (unde ni este numărul de variabile posibile asociate cu componenta i a produsului cu trei componente), ceea ce face imposibilă fezabilitatea testării matricei experimentale într-o investigație cuprinzătoare. Acest lucru a limitat progresele în domeniu doar la descoperiri incrementale, în ciuda evoluțiilor interesante și a tehnologiilor revoluționare care au fost raportate la animale mici și modele preclinice. Cerințele de reglementare ale produselor de regenerare osoasă multicomponente au împiedicat și continuă să încetinească traducerea clinică. Cu toate acestea, abordările regenerative inovatoare, ghidate de paradigma ingineriei tisulare, au fost raportate în literatura clinică cu succese timpurii remarcabile.