Development of in vitro and in vivo Bioreactors for Bone Tissue Engineering

Resumo

Grandes defectos óseos constituyen un reto para el campo clínico, ya que no puede ser reparado por el propio organismo, sino que requieren la implantación de injertos de hueso adecuado. Para superar los inconvenientes de los injertos procedentes de fuentes autólogas o allogeneicas, la ingeniería de tejidos óseos pretende sustituir el tejido perdido utilizando el cultivo de células in vitro sobre biomateriales porosos. El cultivo de células en grandes andamios porosos ha demostrado ser difícil, que requiere bioreactores, que se utilizan para el cultivo de tejidos y el estudio del comportamiento de células en 3D de los andamios. De interés especial es el condicionamiento mecánico de los tejidos cultivados por bioreactor de la ingeniería del tejido óseo, que es capaz de aumentar el potencial osteogénico de los injertos sintéticos.En este trabajo, dos sistemas de bioreactores fueron desarrollados para permitir comprender las propiedades bioactivas de andamios de diferentes materiales y la mecanoregulación del comportamiento de células o tejidos. Un sistema de bioreactor de perfusión in vitro fue desarrollado para el sembrado y cultivo de células incorporadas en cilindros de un biomaterial poroso. Varios estudios para la determinación de los parámetros del sembrado de células aplicable se llevaron a cabo, así como experimentos de cultivo de células bajo flujo de fluido constante con una estimulación mecánica adicional por alternancia del flujo.Un sistema de cámara ósea fue desarrollado como un bioreactor in vivo. El sistema produjo un defecto óseo grande en tibias de perros y permitió la implantación repetida de grandes andamios porosos de materiales diferentes. El tejido creciendo en los andamios permite extraer conclusiones sobre las propiedades de osteoconductividad u osteinductividad de los andamios. Además, un dispositivo de compresión se ha desarrollado para aplicar cargas cíclicas en los andamios en vivo para estudiar el efecto de la estimulación mecánica en el desarrollo de los tejidos.Los estudios con el sistema de perfusión desarrollado han demostrado que el sembrado de células en grandes andamios porosos es posible, lo que se considera crucial para el cultivo celular. El largo tiempo de cultivo de células mostró la proliferación de las células madre mesenquimales hasta dos semanas. El patrón de estimulación utilizado en el estudio aumentó la expresión de la osteocalcina, lo que indica una mayor actividad de las células, pero la ausencia de expresión de RunX2 y colágeno I impidió la determinación concluyente de la diferenciación.El sistema desarrollado de la cámara ósea demostró su funcionalidad en el entorno quirúrgico durante los experimentos in vivo. Complicaciones durante los experimentos no permitieron la aplicación de las cargas cíclicas de los andamios implantados. La formación de hueso retrasada debido al defecto óseo creado y material de andamios restantes no permitieron conclusiones definitivas acerca de las propiedades del material del andamio. Sin embargo, el estudio proporciona datos para el desarrollo futuro del dispositivo y protocolo clínico.Los estudios realizados constituyen una novedad en respecto a la creación de bioreactores para el estudio de la andamios porosos sintéticos de grandes dimensiones in vitro e in vivo. Los sistemas desarrollados constituyen la base para otros estudios en mecanobiología de las células óseas y los tejidos.