Análisis del comportamiento de combinaciones de células troncales y biomateriales mediante un procedimiento de imagen fotónica no invasivo

Abstract

En los últimos años se ha producido un gran desarrollo de las técnicas relacionadas con la terapia celular. Así actualmente es posible aislar células progenitoras de numerosos tejidos humanos adultos que pueden dar lugar a múltiples linajes celulares.<br/>Además la investigación en biomateriales ha experimentado una importante expansión, generando una gran variedad de soportes de diferente naturaleza físico-química. La combinación del tipo celular y el biomaterial adecuados, junto con factores de crecimiento específicos, podría ser una alternativa a las terapias actuales para lograr la reparación de determinados tejidos de escasa capacidad de autoregeneración, como por ejemplo el tejido óseo. <br/>En esta tesis se describe la aplicación de una plataforma basada en la detección de células, que expresan constitutivamente los genes de la proteína verde fluorescente y la luciferasa de Photinus Pyralis, mediante procedimientos de bioluminiscencia no invasiva para la selección de los biomateriales que mejor inducen la proliferación in vivo de las líneas celulares C3H/10T1/2 y C57BL/6 en un modelo ectópico y para la evaluación de la proliferación y diferenciación de células mesenquimales humanas (hMSCs), obtenidas de diferentes tejidos, en un modelo de lesión ósea.<br/>Los resultados obtenidos demuestran que las células sembradas en biomateriales implantados en ratones inmunodeprimidos pueden ser detectadas un mínimo de 12 semanas, mostrando una mejor proliferación en los implantes colocados intramuscularmente que en los implantes subcutáneos. Este modelo ectópico permitió seleccionar un biomaterial basado en macrómeros de polietilenglicol (PEG) unidos a péptidos RGD (arg-gly-asp) que potencia la proliferación celular in vivo. Posteriormente este material (PEG-RGD) se sembró con hMSCs y se evaluó en un modelo de lesión ósea, en el hueso de la bóveda craneal de ratones inmunodeprimidos, que mostró una mejor supervivencia de las hMSCs obtenidas de médula ósea frente a las hMSCs obtenidas de tejido adiposo. Se observó además, mediante tomografía axial computerizada, que la densidad de los defectos óseos en los que se colocaron implantes de PEG-RGD aumentó significativamente respecto al grupo control.<br/>La plataforma desarrollada podría tener una gran utilidad para analizar cuestiones relacionadas con la utilización de las células troncales en la reparación de tejidos, tales como el tipo celular óptimo, las condiciones de expansión in vitro o la inducción de diferenciación. Además es un procedimiento simple, altamente sensible y permite analizar el mismo animal durante largos períodos de tiempo, mejorando así la consistencia de los resultados obtenidos y reduciendo el número de animales utilizados.

Recent developments in stem cell and biomaterial research have promoted a flourishing of new methods for tissue repair. Nowadays, stem cells isolated from human adult tissues can give rise to multiple cell types. Moreover the research in the biomaterials field has increased dramatically and a huge amount of scaffolds, varying in their structure and chemist properties, has been generated. The right combination of a cell type and a biomaterial, together with the adequate growth factors could be an alternative in the repair of damaged tissues with impaired self-regeneration (such as the bone tissue). However, there is a scarcity of procedures to monitor the performance of scaffold-stem cell combinations implanted in live animals, avoiding the inherent artifacts associated with in vitro assay conditions.<br/>In this thesis, a platform based on stem cell detection by non invasive photonic imaging is described. The platform purpose is the selection of the biomaterial that could promote the greatest in vivo proliferation of the C3H/10T1/2 and C57BL/6 cell lines in an ectopic site. These cell lines express constitutively GFP and PLuc.<br/>The results proved that the seeded scaffolds, implanted in immunocompromised mice, can be detected up to 12 weeks, showing best results when implanted intramuscularly compared to the subcutaneous site. With this model a biomaterial composed of polyethyleneglycol (PEG) macromers coupled to RGD (arg-gly-asp) peptides was selected. Subsequently, the chosen PEG scaffold was seeded with human mesenchymal stem cells, from bone marrow (hMSCs) or adipose tissue (hASCs), and implanted in a bone defect created in the calvarial bone of immunocompromised mice. In this location the hMSCs survived better than the hASCs. Besides, the density in the bone defects where PEG-RGD constructs had been implanted, measured by TAC, increased (p<0.05) compared to the control group.<br/>The developed platform is a simple and extremely photon-sensitive procedure. Furthermore, it allow animal tracking trough long time periods, improving the results consistency and reducing the number of animals used in each experiment. The platform can be also used to analyze and improve cell types, growth and differentiation conditions.