Biotechnological Applications of Artificial Microtissues

Abstract

Avances en ingeniería de tejidos y en terapias celulares requerirán el desarrollo de un nuevo abanico de tecnologías. Estas incluirán sistemas de cultivo de líneas primarias en tres dimensiones (3D) con el fin de construir tejidos artificiales, sistemas de transducción eficientes y sistemas de regulación genética compatibles en humanos para ajustar intervenciones moleculares. Todo ello permitirá reprogramar las células animales con el objetivo de obtener fenotipos deseados y de optimizar la productividad celular.<br/>El objetivo de esta tesis es (i) estudiar y manipular las propiedades (electro) fisiológicas de los tejidos artificiales de miocardio mediante la regulación de BMP-2 para controlar y regenerar la funcionalidad cardiaca, (ii) estudiar, inducir y caracterizar los procesos de diferenciación y transdiferenciación de microtejidos adiposos y oseos mediante la sobre expresión de los genes BMP-2 y &#916;FosB para tratar enfermedades relacionadas con el tejido oseo como la osteoporosis, y (iii) evaluar la productividad de los microtejidos artificiales para optimizar los procesos de producción con células animales. Por último, el objetivo es también automatizar la producción de microtejidos artificials para satisfacer las necesidades de la industria.<br/>Microtejidos libres de scaffold no solo presentan una alternativa a la ingeniería de tejidos para terapias celulares y regeneración de tejidos, sino también tienen un gran potencial en estudios celulares para aplicaciones en la industria bio-farmacéutica. Mientras en el área de investigación, los microtejidos artificiales presentan un modelo para el estudio de nuevos genes y proteínas implicadas en diferentes procesos celulares (diferenciación, proliferación, apoptosis, síntesis de proteínas, etc.), en el area de desarrollo, los microtejidos artificiales representan una herramienta para el análisis de dichos genes y proteínas por su acción terapéutica. Finalmente, una vez la proteína terapéutica ha sido identificada, los microtejidos artificiales podrían proveer un ambiente más beneficioso para la producción de proteínas terapéuticas.

Advances in tissue engineering and cell-based therapies will require the development of a range of specific technologies. These include systems for the cultivation of primary cells in three dimensions (3D) to form artificial tissues, efficient gene transduction technologies, and human-compatible gene regulation systems for adjustable molecular interventions all of which should enable the rational reprogramming of mammalian cells to achieve desired cell phenotypes, functionality, and to optimize cellular productivity. <br/>The aim of this thesis is to (i) study and modulate the (electro) physiological properties of artificial myocardial microtissues by BMP-2 regulation to control and to regenerate cardiac functionality, (ii) study, induce and characterize differentiation and transdifferentiation processes of adipose- and bone-microtissues by overexpression of BMP-2 and &#916;FosB genes in order to treat bone-related diseases such as osteoporosis, and (iii) evaluate artificial microtissue productivity to optimize mammalian production processes. Finally, the purpose is also to automate artificial microtissue production in order to satisfy requirements for industrial scale applications.<br/>Scaffold-free artificial microtissues represent an alternative to existing tissue engineering strategies for cell-based therapies and tissue regeneration, as well as for cell-based biopharmaceutical applications. Within a research context, artificial microtissues could be used as a cell culture model to study/screen novel molecules/genes/proteins that are involved in different cellular processes (e.g. differentiation, proliferation, apoptosis, protein synthesis and secretion), while in a development context, artificial microtissues could be used as a tool to evaluate such target molecules/genes/proteins for their therapeutic action. Finally, once a therapeutic molecule/protein is identified, artificial microtissues may provide a more suitable or optimized environment for therapeutic protein production.