L'ingegneria dei tessuti cartilagine rappresenta una promettente strategia per la riparazione e la rigenerazione della cartilagine articolare danneggiata, un tessuto notoriamente limitato nella sua capacità di guarigione intrinseca a causa della sua natura avascolare, aneurale e alfatica. La sfida centrale in questo campo è la produzione affidabile di funzionale, durevole neocartilage che può ripristinare la biomeccanica articolare e alleviare il dolore.

Comprendere la dedifferenziazione del condrocyte

[LT1], i componenti di tipo fibroblasto (in inglese) sono un processo progressivo, in cui i condrociti maturi e articolari si convertono in uno stato più primitivo e fibroblasto.

I meccanismi molecolari sottostanti dedifferenziati sono complessi e comportano alterazioni nel segnale di vie, reti di fattori trascrizionali e regolazione epigenetica. I giocatori chiave includono la riduzione della SOX9, il fattore di trascrizione principale per la chondrogenesi, e l'upregulation di Runx2 e altri fattori di trascrizione osteogenica o fibroblastica.

Impatto su Cartilage Tissue Engineering Risultati

La dedifferenziazione dei condrociti ha conseguenze profonde per la qualità e il successo clinico degli impianti di cartilagine con strutturazione dei tessuti. Quando le cellule dedifferenziate sono utilizzate come componente cellulare di un innesto, il neocartilage risultante mostra generalmente proprietà meccaniche inferiori—modulo di compressione ridotto, resistenza alla trazione inferiore e contenuto proteoglico inferiore—rispetto ai tessuti nativi.

Gli studi clinici hanno segnalato risultati suboptimali quando si utilizzano condrociti espansi e disorientati in trattamenti come l'impianto di condrocito autologo (ACI) o l'impianto di condrocito di matrice (MACI).

Fattori che contribuiscono alla dedifferenziazione

Molti fattori durante l'isolamento e l'espansione cellulare contribuiscono alla perdita del fenotipo di condrocito. Capire questi elementi è il primo passo verso la mitigazione dei loro effetti.

  • coltura estesa monostrato:[] Passaggio ripetuto in substrati bidimensionali in plastica costringe le cellule ad attaccare, diffondere e proliferare, attivando la formazione delle fibre di stress e segnalando i percorsi che promuovono la dedifferenziazione. L'effetto cumulativo diventa pronunciato oltre il passaggio 2–3.
  • Tensione di ossigeno neutro:[ I condrociti in vivo risiedono in un ambiente ipossico (1–5% ossigeno). La cultura a livelli di ossigeno ambientale (20%) induce lo stress ossidativo e altera l'espressione genica, accelerando la dedifferenziazione.
  • L'assenza di ECM appropriato: La perdita di matrice pericellulare nativo durante l'isolamento rimuove le alistiche biochimiche e biomeccaniche critiche che mantengono il fenotipo.
  • Lo stress meccanico durante la manipolazione:[ La digestione enzimatica e la raschiatura meccanica possono causare stress cellulare e danni che alterano le cascate di segnalazione coinvolte nella stabilità del fenotipo.
  • Milieu del fattore di crescita:[ Media contenenti siero, mentre supporta la proliferazione, contengono fattori non definiti che possono promuovere la dedifferenziazione. Anche i media definiti possono mancare di fattori essenziali per mantenere l'identità condrocitica.
  • L'età e lo stato della malattia del donatore:[ I condrociti dai donatori anziani o osteoartici sono più inclini alla dedifferenziazione, riflettendo un fenotipo di base già compromesso.

Strategie per la disgregazione di Mitigate

La ricerca estesa è stata dedicata allo sviluppo di metodi che impediscono, limitano o addirittura inversano la dedifferenziazione del condrocito, che possono essere ampiamente classificati in ambienti di cultura tridimensionale, stimolazione biochimica, carico meccanico, interventi genetici o epigenetici.

Sistemi di cultura tridimensionali

Un primario driver di dedifferenziazione è la morfologia bidimensionale forzata in monostrato.Ricreare un ambiente tridimensionale più fisiologico è considerato il contromisura più efficace.

  • Fiori e idrogeli: Materiali naturali come collagene, alginato, acido ialuronico, e fibrina, così come polimeri sintetici come poli (acido lattico-co-glicolico) (PLGA) e poli(glicol di etilene) (PEG) idrogeno, forniscono una matrice di sostegno cartilagine che incoraggia a mantenere le cellule tonde
  • Idrughe per peptide di autoassemblaggio:[ Queste capannoni di nanofibra sintetica offrono ambienti chimici definiti che possono presentare motivi bioattivi, come i peptidi RGD, per migliorare l'adesione delle cellule e la segnalazione mantenendo il fenotipo.
  • culture di microma e pellet:[ Semplice, aggregazione senza impalcature di condrociti in pellet ad alta densità o micromasse promuove interazioni cellulari e ri-induzione della cronologia, rendendoli utili per studiare interventi di dedifferenziazione e test.
  • Cartilagine cellulare ECM scaffolds:[] Utilizzando ECM nativo come ponteggio fornisce elementi biochimici e strutturali che imitano da vicino l'ambiente in vivo, spesso superando alternative sintetiche nel mantenimento del fenotipo di condrocito.

Importante, la scelta di materiali, dimensioni dei pori, tasso di degrado e proprietà meccaniche influenzano tutti i comportamenti delle cellule. I design ottimali spesso incorporano caratteristiche che supportano la diffusione dei nutrienti e la rimozione dei rifiuti, fornendo una sufficiente integrità meccanica per resistere ai carichi articolari.

Stimolo biochimico

L'aggiunta esogene di fattori di crescita specifici, citochine e piccole molecole possono sopprimere attivamente la dedifferenziazione e promuovere la redifferenziazione.

  • Fattore di crescita di trasmissione-beta (TGF-β) superfamiglia:[ TGF-β1, TGF-β3, e proteine morfogenetiche ossee (BMP, in particolare BMP-2, BMP-7, e BMP-9) sono potenti induttori di sintesi di matrice di SOX9 espressione e cartilagine.
  • Fattore di crescita simile all'insulina 1 (IGF-1): Promuove la sintesi proteoglycan e collagene riducendo al contempo l'attività catabolica.
  • I fattori di crescita del fibroblast (FGF): FGF di base (FGF-2) possono supportare la proliferazione delle cellule con meno dedifferentiazione quando usato in modo transitorio, ma l'esposizione prolungata può guidare la differenziazione fibroblastica.
  • Le molecole più piccole:[] Composti come la kartogenina, la purmorfamina e l'acido ascorbico sono stati mostrati per promuovere la chondrogenesi e inibire la dedifferentiazione attraverso vari percorsi di segnalazione (ad esempio, hedgehog, Wnt, e modulazione delle specie reattive di ossigeno).
  • Messaggio senza siero:[] Eliminare componenti siero non definiti e integrare con fattori controllati con precisione riduce la variabilità e può rallentare la disindifferentizzazione.

Combinazioni di questi fattori, consegnate in modo controllato temporalmente, vengono esplorate in sistemi bioreattore per ricapitolare la sequenza di sviluppo della formazione cartilagine.

Stimolo meccanico

Cartilagine Articolare è un tessuto meccanoresponsivo; il carico fisiologico è essenziale per mantenere la sua salute. Applicare i giusti cui meccanici per i costrutti ingegnerizzati può mitigare la dedifferentiazione fornendo segnali che rinforzano il fenotipo di condrocito.

  • Compressione dinamica:[[] Caricamento della compressione ciclica a magnitudine fisiologicamente rilevanti (ad esempio, 10% di ceppo a 1 Hz) sovrascrive la sintesi del collagene di tipo II e del collagene di tipo II mentre il collagene di tipo I e le metalloproteine di matrice (MMP).
  • Pressione idrostatica:[ La pressione idrostatica intermittente (ad esempio 5-10 MPa) imita le forze generate durante il carico congiunto e si è dimostrato di mantenere il fenotipo di condrocito nelle culture 3D.
  • Sforzo del piede:[] Portacavo indotto dai fluidi, come generato nei bioreattori rotanti, può migliorare il trasporto di massa e fornire spunti metanobiologici che sopprimano la dedifferenziazione, anche se la taglio eccessiva può essere dannosa.

I sistemi di bioreattore che combinano stimoli meccanici multipli e controllano con precisione la perfusione, la tensione dell'ossigeno e l'integrazione biochimica rappresentano una potente piattaforma per la produzione di cartilagine ad alta qualità, che può essere scalata per la produzione clinica ma che rimane costosa e complessa.

Approcci genetici ed epigenetici

I progressi nella biologia molecolare offrono strumenti di precisione per intervenire direttamente nel processo di dedifferenziazione a livello genetico o epigenetico.

  • Overexpression di SOX9: Sovraespressione trasmissibili o stabili del regolatore condrogeno SOX9 è stato utilizzato per mantenere o ripristinare il fenotipo di condrocito, anche dopo più passaggi.
  • Genere editing con CRISPR/Cas9:[ Modifica mirata dei geni che guidano la dedifferenziazione (ad esempio, RUNX2, COL1A1) o migliorano le vie condrogeno (ad esempio, potenziatori SOX9) è una strategia emergente, anche se le sfide rimangono in effetti di consegna e off-target.
  • Modulazione epigenetica:[] Inibitori di deacetilanti istoni (HDACs) e metiltransferasi del DNA possono riattivare i geni condrociti silenziati e sopprimere quelli fibroblastici.
  • Terapia di microRNA:[ I microRNA specifici (miR) come miR-140, miR-145 e miR-221 sono stati implicati nella chondrogenesi e nella dedifferenziazione.

Queste strategie genetiche ed epigenetiche sono potenti ma sollevano preoccupazioni di sicurezza e di regolamentazione per la traduzione clinica, in particolare per quanto riguarda gli effetti off-target e la stabilità a lungo termine delle modifiche.

Prospettive future e traduzione clinica

Nonostante i progressi significativi, la traduzione di queste strategie in terapie cliniche affidabili rimane un ostacolo importante. I metodi più clinicamente rilevanti devono essere convenienti, scalabili e riproducibili. Una direzione promettente è l'uso di condrociti autologo raccolti da regioni non ponderate che portano fuori uso e ampliati in un unico passaggio in condizioni ottimizzate (ad esempio, basso ossigeno, cocktail di fattore di crescita, cultura 3D in scala biocompatibile scaff

L'integrazione con innesti ingegnerizzati è un'altra sfida critica. Anche se le cellule conservano il fenotipo in vitro, la scarsa integrazione con il tessuto nativo circostante può portare alla delaminazione e al fallimento. Gli investigatori stanno esplorando idrogeli bioadesivi, trattamenti enzimatici per migliorare l'interdigitazione cellulare, e co-culture staminali mesenchymali (MSC) per migliorare l'integrazione.

Occorre anche considerare i fattori specifici del paziente, tra cui l'età, la genetica e la portata dei danni articolari, che possono comportare l'insorgenza di cellule staminali pluripotenti (iPSC) che possono essere indirizzate a un lineage di condrociti e poi ampliate con una minima dedifferenziazione.

Anche per innesti allogenei, condrociti dedifferenziati possono esprimere molecole MHC che innescano il rifiuto, mentre i condrociti ben differenziati e immunizzati potrebbero evadere il rilevamento del sistema immunitario.

Conclusioni

La dedifferentizzazione del codrocito rimane un ostacolo fondamentale nell'ingegneria dei tessuti cartilagine. La perdita del fenotipo specializzato e produttivo dell'ECM durante l'espansione cellulare compromette direttamente l'integrità meccanica, la durata e il successo clinico delle innestie ingegnerizzate. Tuttavia, un corpo crescente di ricerca ha elucidato i meccanismi molecolari che guidano la dedifferenziazione e ha identificato una serie di efficaci contromi genetica.

Riferimenti selezionati[