Tissue engineering for bone regeneration: in vitro development and in vivo testing in sheep

Abstract

L'os és un teixit connectiu altament organitzat i especialitzat, la funció principal és la mecànica, proporcionant l'afecció als músculs i per tant permetent que el cos es mogui. Actualment, el tractament quirúrgic estàndard es basa en la immobilització i la introducció d'empelts ossis però presenta algunes complicacions, com ara les infeccions, les no unions i la morbiditat de la zona donant. Avui en dia, milions de pacients pateixen defectes ossis i en concret, als EEUU es diagnostiquen entre 10.000 i 20.000 nous casos d'osteonecrosi del cap de fèmur (ONFH) a l’any. La medicina regenerativa (RM) i l'enginyeria tissular (TE) són dos camps de la ciència que es centren en el desenvolupament de teràpies per reemplaçar i regenerar els teixits perduts o danyats per millorar la qualitat de vida del pacient. La combinació de biomaterials, cèl·lules i senyals és l’eina clau per al desenvolupament d'un producte RM i TE. Un dels camps més desenvolupats en RM és la medicina regenerativa ortopèdica, en concret per al teixit ossi. Hi ha diferents estratègies que combinen cèl·lules autòlogues amb matrius que han demostrat certa eficàcia en el tractament de lesions òssies. Després de la fase de descobriment de nous medicaments de teràpia avançada, i per tal d’aconseguir el registre del nou producte, hi ha la fase de desenvolupament, que inclou la realització d'estudis preclínics (fet per dur a terme la prova de concepte, la seguretat i toxicologia) i els estudis clínics. En primer lloc es van determinar i caracteritzar els components de la preparació d’enginyeria tissular (TEP) amb la finalitat d’obtenir un producte estandarditzat. Aquesta preparació consisteix en un component cel·lular que són les cèl·lules mesenquimals estromals (MSC), tant humanes com ovines unides en una matriu de partícules òssies desantigeneïtzades i liofilitzades. Es va realizar un model de defecte ossi de mida crítica (CSBD) en ovella amb la finalitat d'investigar l'efecte de la TEP en una situació extrema, i es va demostrar la seva seguretat i capacitat per sintetitzar nou os i remodelar l’os existent. Seguidament la TEP es va provar en un model animal rellevant de translació de la malaltia òssia basat en el mètode reportat per Vélez i col·laboradors per a la modelització de ONFH en ovelles demostrant la seva eficàcia i seguretat. També s’ha demostrat que les MSC estan involucrades en la síntesi d'os nou ja que es van trobar progenitors ossis marcats després del tractament de la ONFH, tot i així no es poden descartar els mecanismes paracrins. Per tant, el desenvolupament de la TEP podria contribuir en general a la RM per tal de satisfer les exigències d'una societat que envelleix.

Bone is a highly organized and specialized connective tissue, whose main function is the mechanics, providing attachment to muscles and therefore allowing the body to move. Currently the gold standard surgical treatment is based on the immobilization and introduction of bone grafts but it presents some complications, such as infections, non-unions, and donor site morbidity. Nowadays, millions of patients are suffering from bone defects and specifically, 10,000 to 20,000 new cases of osteonecrosis of femoral head (ONFH) are diagnosed only in the USA every year. Regenerative medicine (RM) and tissue engineering (TE) are two areas of science fields focused on the developing of therapies to replace and regenerate lost or damaged tissues to improve the quality of life the patient. The combination of biomaterials, cells and signals is the key tool for the development of a RM and TE product. One of the most developed fields in RM is the orthopedic regenerative medicine, in specifically for bone tissue. There are different strategies combining autologous cells with scaffolds that have shown some efficacy for treating bone injuries. After discovery phase of any new advanced therapy medicinal products, there is the development phase that includes the conduction of preclinical studies (made to perform the proof of concept, safety and toxicology) and clinical studies before the registration of the new product. First the components of the tissue engineered preparation (TEP) were determined and characterized in order to have a standardized material. It consists in MSC (mesenchymal stromal cells) both human and ovine sources are used as a cellular component seeded in a deantigenized and lyophilized bone particles as a scaffold. Then critical size bone defect (CSBD) was modeled in sheep in order to investigate the effect of the TEP in an extreme situation, demonstrating its safe ability to synthesize new bone and bone remodeling. Afterwards TEP was tested in a relevant translational animal model of bone disease based on the method reported by Velez and collaborators for modelling ONFH in sheep demonstrating its efficacy and safety. Also demonstrating that MSC were involved in the synthesis of new bone, because labeled bone progenitors are shown after ONFH treatment, although paracrine mechanisms can not be discarded. Therefore, the development of TEP could contribute to the overall RM to meet the requirements of an aging society.