Um olhar mais atento sobre as influências da incompatibilidade micromecânica na regeneração da cartilagem

Uma equipe colaborativa, que inclui cientistas do Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI), University of Illinois Chicago (UIC) e Pohang University of Science and Technology (POSTECH) elucidou alguns pontos-chave sobre como a geração de cartilagem nas articulações é facilitada e como a formação alternativa de osso pode ser evitada. Suas descobertas podem abrir caminho para projetar transplantes mais estrategicamente projetados para um meio mais barato e mais eficaz de tratar danos à cartilagem nas articulações do que os métodos atuais.

Devido ao suprimento limitado de sangue e ao pequeno número de células de cartilagem nas articulações, é difícil para o corpo curar sua cartilagem danificada. Os tratamentos atuais incluem o enxerto de cartilagem intacta de um paciente de uma articulação para outra danificada, aumentando fluxo sanguíneo para a articulação danificada fazendo pequenos orifícios no osso abaixo da cartilagem afetada), ou transplantando células de cartilagem de um paciente de uma articulação para outra. Cada um desses métodos é caro e não restaura adequadamente a funcionalidade da articulação danificada.

Uma opção melhor para o reparo da cartilagem envolve o uso de células-tronco mesenquimais humanas (hMSCs), células prontamente disponíveis que podem se renovar e se diferenciar em vários tipos de células, incluindo células de cartilagem. Com essas células, os transplantes podem ser projetados para uma regeneração de cartilagem mais eficaz.

As articulações do corpo e sua regulação da regeneração da cartilagem são extremamente complexas, influenciadas não apenas por sinais químicos e forças externas, mas também por propriedades mecânicas dentro da própria articulação. Dentro das articulações, as células da cartilagem são cercadas por duas camadas distintas – a matriz pericelular (PCM) e Matriz extracelular (ECM).

O PCM é uma camada estreita e macia que envolve intimamente as células da cartilagem. O ECM é uma camada mais rígida que envolve o PCM que ancora e fornece suporte estrutural às células. Sabe-se que as propriedades mecânicas das matrizes circundantes podem influenciar a formação da cartilagem hMSC, com matrizes mais macias e de degradação mais rápida conduzindo a formação de cartilagem nas articulações e matrizes mais rígidas e de degradação mais lenta promovendo o crescimento excessivo da cartilagem que pode levar à formação óssea indesejável.

Se alguém deseja projetar implantes para substituir a cartilagem danificada, portanto, essas propriedades micromecânicas devem ser recriadas o mais próximo possível para conduzir a regeneração e integração adequadas da cartilagem com a cartilagem nativa saudável. É preciso também levar em consideração os efeitos das tensões mecânicas externas nos implantes, que podem influenciar o comportamento celular.

Os pesquisadores examinaram essas propriedades e seus efeitos criando equivalentes de tecido de cartilagem inovadores como modelos de cartilagem nativa. Para criar um modelo PCM, eles empregaram a tecnologia microfluídica para criar gotículas de mini-hidrogel de tamanho uniforme incorporadas com hMSCs. Esses mini hidrogéis foram então encapsulados por uma camada de polímero rígido que simulava o ECM.

Para simular movimentos regulares do corpo sobre o juntas, os cientistas usaram um chip que aplicou pressão em modelos PCM/ECM carregados com hMSC com incompatibilidades de propriedades micromecânicas de engenharia personalizada e mediram as biomoléculas produzidas. A partir desses experimentos, os cientistas conseguiram encontrar condições ideais para uma melhor regeneração da cartilagem, ao mesmo tempo em que reduziam a formação excessiva de cartilagem.

Esses resultados também foram demonstrados em modelos animais. Os modelos de tecido PCM/ECM foram implantados em camundongos e, quando a pressão externa foi aplicada, os efeitos de incompatibilidade micromecânica dos tecidos na formação da cartilagem foram mantidos com sucesso por períodos de três semanas.

As conclusões gerais dos cientistas foram que a rigidez e degradação do PCM e as propriedades de incompatibilidade micromecânica do PCM-ECM trabalham em sinergia com a compressão mecânica cíclica para conduzir a formação de cartilagem desejável em hMSCs.

Disse o Diretor e CEO do TIBI, Ali Khademhosseini, Ph.D., “Com as várias dificuldades apresentadas no reparo da cartilagem, o trabalho de nossos cientistas para entender os mecanismos que o regem é um passo muito necessário para criar com sucesso cartilagem lenço de papel.”

A pesquisa foi publicada na revista Matéria.

Fornecido pelo Instituto Terasaki de Inovação Biomédica