Efectos de la estimulación mecánica sobre células madre aplicado a la regeneración de cartílago

Abstract

La baja capacidad de regeneración del cartílago hialino articular ha estimulado el desarrollo de numerosas terapias, con resultados poco satisfactorios hasta la fecha. Desde hace años la ingeniería tisular ha puesto a punto diferentes procedimientos in vitro para favorecer la diferenciación condrogénica de células madre mesenquimales. Debido a los buenos resultados que se han alcanzado, algunos de los constructos obtenidos con estas técnicas han acabado implantándose en pacientes con lesiones condrales u osteocondrales, pero con fracasos a medio y largo plazo en muchos de los casos.

Es por ello que esta Tesis Doctoral tiene como objetivo seguir profundizando en las técnicas de ingeniería tisular aplicadas a las terapias de las lesiones condrales, concretamente se han estudiado diferentes mecanismos para conseguir la diferenciación condrogénica de células madre mesenquimales de pulpa dental humana (hDPSC), promoviendo la síntesis de proteínas características de la matriz extracelular cartilaginosa hialina.

Por un lado, se han cultivado hDPSC en hidrogeles y en forma de organoide celular o microtejidos con diferentes medios de cultivo (proliferación celular o diferenciación condrogénica), a lo largo de diferentes tiempos (3 días y 2, 4 y 6 semanas). Los resultados han revelado que el cultivo en un entorno tridimensional induce la diferenciación condrogénica, mientras que el cultivo con medio de inducción condrogénica promueve la síntesis de proteínas o proteoglicanos características de la matriz extracelular condral, como son el agrecano y el colágeno de tipo II, a tiempos más cortos.

Finalmente, la estimulación de microtejidos de hDPSC mediante campos magnéticos y fuerzas mecánicas indujo la diferenciación condrogénica a los 3 días de tratamiento, promoviendo la síntesis de estas proteínas fundamentales de la matriz condral de manera más consistente, mientras que un tiempo de estimulación más largo (2 semanas) indujo la producción de colágeno de tipo I, característico del fibrocartílago.

En definitiva, el cultivo de hDPSC en modo de microtejido induce la diferenciación condrogénica y la síntesis de proteínas características de la matriz extracelular del cartílago hialino. Además, su estimulación mediante fuerzas electromagneto-mecánicas acelera este proceso de diferenciación, generándose una matriz de proteínas condrales consistente a lo largo del tiempo.

Alternate abstract:

The low regeneration capacity of hyaline joint cartilage has stimulated the development of numerous therapies, with unsatisfactory results. For years, tissue engineering has tuned up different in vitro procedures to promote chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells. Due to the good results obtained, some of the constructs elaborated with these techniques have ended up being implanted in patients with chondral or osteochondral lesions, but with medium- and long-term failures in many of the cases.

Therefore, the aim of this Doctoral Thesis is to get in deeper knowledge about several tissue engineering techniques applied in chondral injuries therapies. More specifically, different mechanisms have been studied to achieve chondrogenic differentiation of human dental pulp mesenchymal stem cells (hDPSC), promoting the synthesis of characteristic proteins of the extracellular cartilaginous hyaline matrix.

On the one hand, hDPSC have been cultivated in hydrogels and cellular organoid or microtissue form with different culture media (cellular proliferation or chondrogenic differentiation), over different times (3 days and 2, 4 and 6 weeks). The results have revealed that culture in a three-dimensional environment induces chondrogenic differentiation, while culture with chondrogenic induction medium promotes the synthesis of characteristic proteins or proteoglycans of the chondral extracellular matrix, such as aggrecan and type II collagen, at shorter times.

Finally, stimulation of hDPSC microtissues by electromagnetic fields and mechanical forces induced chondrogenic differentiation after 3 days of treatment, promoting the synthesis of these fundamental proteins of the chondral matrix more consistently, while a longer stimulation time (2 weeks) induced production of type I collagen, characteristic of fibrocartilage.

Briefly, the culture of hDPSC in the microtissue model induces chondrogenic differentiation and the synthesis of proteins characteristic of the extracellular matrix of hyaline cartilage. Furthermore, its stimulation by electromagnetic-mechanical forces accelerates this differentiation process, generating a consistent matrix of chondral proteins over time.

Alternate abstract:

La baixa capacitat de regeneració del cartílag hialí articular ha estimulat el desenvolupament de numeroses teràpies, amb resultats poc satisfactoris fins a l’actualitat. Des de fa diversos anys l’enginyeria tissular ha portat a cap diferents procediments in vitro per a afavoréixer la diferenciació condrogènica de cèl·lules mare mesenquimals. Degut als bons resultats obtinguts, alguns dels constructes elaborats amb estes tècniques han acabat implantant-se en pacients amb lesions condrals o osteocondrals, però amb fracasos a mitjan i llarg termini en molts dels casos.

És per això que esta Tesi Doctoral té com objectiu seguir profunditzant en les tècniques d’enginyeria tissular aplicades a les teràpies de les lessions cartilaginsoes, concretament s’han estudiat diferents mecanismes per a aconseguir la diferenciació condrogènica de cèl·lules mare mesenquimals de pulpa dental humana (hDPSC), promovent la síntesi de proteïnes característiques de la matriu extracel·lular cartilaginosa hialina.

Per un costat, s’han cultivat hDPSC en hidrogels y en forma d’organoide cel·lular o microteixts amb diferents medis de cultiu (proliferació cel·lular i diferenciació condrogènica), al llarg de diferents temps (3 dies i 2, 4 i 6 setmanes). Els resultats han desvetlat que el cultiu en un entorn tridimensional indueix la diferenciació condrogènica, mentre que el cultiu amb medi d’inducció condrogènica promou la síntesi de proteïnes o proteoglicans característics de la matriu extracel·lular condral, com són l’agrecà i el colagen de tipus II, a temps més curts,

Finalment, l’estimulació de microteixits de hDPSC mitjançant camps electromagnètics i forces mecàniques va induir la diferenciació condrogènica als 3 dies de tractament, promovent la síntesi d’estes proteïnes fonamentals de la matriu condral de manera més consistent, mentre que un temps d’estimulació més llarg (2 setmanes) va induir la producció de colagen tipus I, característic del fibrocartílag. 

En definitiva, el cultiu de hDPSC en mode de microteixit indueix la diferenciació condrogènica i la síntesi de proteïnes característiques de la matriu extracel·lular del cartílag hialí. A més a més, la seua estimulació mitjançant forces electromagnètiques-mecàniques accelera este procés de diferenciació, generànt-se una matriu de proteïnes condrals consistent al llarg del temps.