Evaluación de la respuesta celular de células madre adultas de origen mesenquimal frente a materiales cerámicos

Abstract

[spa] Las células madre mesenquimales de tejido adiposo (ADSCs) tienen un gran potencial dentro del campo de la ingeniería de tejidos debido a su fácil obtención, capacidad de diferenciación a múltiples linajes, propiedades inmunomoduladoras y producción de factores proangiogénicos y antiapoptóticos. Asimismo, los materiales cerámicos de fosfato de calcio son ampliamente utilizados como biomateriales en la ingeniería de tejidos del hueso, debido a su similitud con la fase mineral del tejido óseo. Además, su combinación con proteínas de matriz extracelular (ECM), factores osteoinductores y otros tipos celulares, puede incrementar la bioactividad del constructo células-biomaterial. A pesar de ello, pocos trabajos existen en la literatura que evalúen la repuesta de células ADSCs frente a biomateriales cerámicos de fosfatos de calcio, empleando recubrimientos con proteínas de ECM y/o el cocultivo de células ADSCs con células endoteliales, como factores claves para el incremento de la inducción de las células hacia linajes osteogénicos. En este sentido, el objetivo del presente trabajo ha sido Evaluar la biocompatibilidad y diferenciación osteogénica de células madre mesenquimales adultas derivadas de tejido adiposo (ADSCs) frente a materiales cerámicos de fosfato de calcio con o sin proteínas de matriz extracelular y células endoteliales. Los resultados mostraron que las células mesenquimales obtenidas de tejido adiposo humano (hADSCs), expresan marcadores característicos de células progenitoras (CD29, CD44, CD73, CD90 Y CD105) y se diferenciaron hacia linajes adipogénico, osteogénico, condrogénico y miogénico. Particularmente las señales de diferenciación osteogénicas de las células hADSCs fueron muy potentes y comparables en gran medida con las de otras líneas de osteoblastos ampliamente utilizadas en el campo de la ingeniería de tejidos tales como las MCT3T3 y hFOB 1.19. Por lo tanto son un excelente modelo celular para la evaluación de biomateriales diseñados con la finalidad de favorecer la regeneración ósea. El diseño de una metodología especial para el cultivo celular sobre biomateriales, permitió la cuantificación eficiente y reproducible del porcentaje de células que se adhieren específicamente al material y el seguimiento de su proliferación. Empleando fibroblastos dérmicos humanos (HDF) se demostró que el biomaterial cerámico KeraOs® (KO) es biocompatible según la ISO 10993-5. El estudio de la respuesta de las células hADSCs frente a diversos biomateriales cerámicos, evidenció que las células se adhieren, proliferan y se diferencian hacia un fenotipo osteoblástico sobre los materiales comerciales Bone Ceramic®, Cerasorb® y KeraOs®, aunque no sobre Bio-Oss®. Cada material induce una respuesta osteogénica con un perfil particular en la actividad de la enzima fosfatasa alcalina y la expresión de los genes osteonectina y osteocalcina. Aunque los biomateriales solos desencadenan la diferenciación de las células, la adición de factores inductores en el medio de cultivo potencia la respuesta osteogénica. El recubrimiento del material KeraOs® con fibronectina, colágeno o la combinación FN/COL incrementó significativamente la producción de matriz extracelular, la actividad de la enzima fosfatasa alcalina y la expresión de un mayor número de genes asociados a rutas de diferenciación osteogénicas tales como BMP1, BMP2, Runx2, SMAD1, etc. Sin embargo, respecto a las otras dos proteínas, la fibronectina indujo el mayor aumento en la adhesión celular y la respuesta osteogénica. Por otra parte se observó que el cocultivo de células hADSCs con células endoteliales también incrementó el potencial osteogénico de las células hADSCs. Adicionalmente las células endoteliales formaron estructuras tipo capilar y se incrementó la expresión de marcadores angiogénicos tales como VEGF, VE-cad, α-SMA y Ang-1. Finalmente se evaluó el efecto del biomaterial KeraOs® combinado con fibronectina y células madre autólogas de tejido adiposo sobre la regeneración ósea de perros Beagles. Similar a lo observado con las mesenquimales humanas (hADSCs), las caninas se adhieren, proliferan y se diferencian hacia un fenotipo osteoblástico, evidenciando su utilidad como modelo para el estudio de la regeneración ósea tanto in vitro como in vivo.

[eng] Human adipose derived mesenchymal stem cells (hADSCs) have great potential for tissue engineering applications. Because hADSCs are available in large number, have the ability to differentiate into multiple lineages, show immunomodulatory properties and release pro-angiogenic and antiapoptotic factors. Calcium phosphate ceramics have been widely investigated in bone regeneration as they have good compatibility, biodegradability and mimic the mineral phase of bone tissue. In addition, the combination of biomaterials with extracellular matrix proteins, osteoinductive factors and/or other cell types can increase the bioactivity of cell-biomaterial constructs. This study aims to evaluate the biocompatibility and osteogenic differentiation response of adult mesenchymal stem cells derived from adipose tissue (ADSCs) on calcium phosphate materials with or without extracellular matrix proteins and endothelial cells. The results indicate that hADSCs expressed characteristic stem cells markers and were able to differentiate into adipogenic, osteogenic, chondrogenic and myogenic lineajes. In ADSCs the osteogenic differentiation signals are highly potent and comparable with other osteoblast cells lines. Thus, ADSCs are an excellent model to evaluate cell biomaterials designed in order to promote bone regeneration. ADSCs can attach and growth on different kind of biomaterials (Bone Ceramic®, Cerasorb® y KeraOs®) with exception of Bio-Oss. Results showed that the expression profile of osteogenic markers (Alkaline phosphatase (ALP), Osteocalcin (OC) and Osteonectin (ON)) depends of the material. The fibronectin and collagen coating of KeraOs® increased the expression of a wide number of genes related with the osteogenic differentiation of hADSCs, and also promoted a high ALP activity and matrix mineralization. However the fibronectin effects in the cells response are stronger than collagen and fibronectin coating. The coculture of ADSCs with endothelial cells also increased the osteogenic differentiation of hADSCs. Additionally endothelial cells formed capillary-like structures and overexpress angiogenic markers such as VEGF, VE-cad, α-SMA and Ang-1. Finally it was evaluated the effect of KeraOs® biomaterial combined with fibronectin and autologous ADSCs on Beagle dog bone regeneration. The canine stem cell’s response on the material was similar to human stem cells, demonstrating its utility as a model for the study of bone regeneration in vitro and in vivo.