Por Thamarasee Jeewandara | Medical Xpress
04.Outubro.2023
Conceito de design inverso e técnicas de fabricação de estruturas de rede flexíveis para regeneração de tecidos moles. Ilustração esquemática de andaimes de conduíte eletrofiado (A) e andaimes de rede flexível (B) implantados nos nervos ciáticos defeituosos e nos tendões de Aquiles. (C) Uma configuração representativa de SNM retangular (células unitárias 3 × 4) e o detalhe geométrico de um feixe curvo. (D) Curva de tensão-deformação normalizada representativa do músculo gastrocnêmio de rato e o módulo tangente correspondente versus tensão. (E) Gráfico de contorno do parâmetro fenomenológico c em relação aos principais parâmetros geométricos da microestrutura curva. Os parâmetros geométricos utilizados nos andaimes de rede flexível para nervo ciático, tendão de Aquiles e músculo gastrocnêmio são marcados por círculos no gráfico. (F) Comparações de curvas de tensão normalizadas entre o tecido biológico alvo, FEA do projeto de rede inicial e o otimizado. (G) Processo de fabricação de andaime de rede flexível, (i) exposição; (ii) desenvolvimento; (iii) deposição química de vapor; (iv) fundição de solução PCL; (v) desmoldagem e ondulação; e (vi) eletrofiação. (H) Imagens ópticas de andaime de rede flexível (para nervos ciáticos) antes e depois da eletrofiação do filme ultrafino nanofibroso PCL. (I) Imagem SEM para uma conexão central em um andaime de rede flexível sem filme PCL (i) [região de caixa azul em (H)] e vistas ampliadas da conexão (ii). (J) Imagem SEM para um segmento de microestrutura curva com filme PCL [região ciano-box em (H)]. (K) Configurações iniciais e deformadas do andaime de rede tubular para nervo ciático obtido da FEA (i). A direita apresenta curvas tensão-deformação de redes planares e tubulares obtidas a partir de FEA, estrutura de rede planar fabricada com e sem filme PCL ultrafino, andaime de conduíte eletrofiado e nervo ciático real (ii). (L) Resultados semelhantes para o projeto de andaime de rede para reproduzir curvas tensão-deformação do tendão de Aquiles. Barras de escala, 800 μm (H) e 100 μm (I e J). Crédito da foto: SC, Universidade Tsinghua. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi8606
Durante a implantação de andaime sintético em um ambiente clínico, a incompatibilidade mecânica enxerto-hospedeiro é um problema de longa data para a regeneração de tecidos moles. Embora os bioengenheiros tenham denotado numerosos esforços para resolver este desafio, o desempenho regenerativo dos andaimes sintéticos pode ser limitado por condições lentas de crescimento tecidual quando comparado aos autoenxertos, juntamente com defeitos mecânicos.
Em um novo relatório na Science Advances, Shunze Cao e uma equipe de cientistas em engenharia, mecânica e cirurgia ortopédica da Universidade de Tsinghua, na China, desenvolveram uma classe de andaimes de rede flexíveis para projetar com precisão respostas mecânicas não lineares.
As estruturas teciduais resultantes aumentaram a regeneração tecidual através da redução da incompatibilidade mecânica enxerto-hospedeiro.
Eles incluíram uma estrutura de rede tubular com uma estrutura de rede flexível, com microestruturas curvas para construir as propriedades mecânicas desejadas e oferecer um microambiente adequado para o crescimento celular. Os cientistas usaram modelos de ratos com defeitos do nervo ciático ou lesões no tendão de Aquiles para mostrar o desempenho regenerativo SUPERIOR que EXCEDEU os andaimes de conduítes eletrofiados clinicamente aprovados.
Andaimes de tecido de bioengenharia adequados para tradução pré-clínica
Lesões de tecido mole do nervo e vasos sanguíneos, tendões, ligamentos e cartilagens representam um problema de saúde em todo o mundo.
Clinicamente, autoenxertos e aloenxertos são planos cirúrgicos clínicos comumente adotados que estão em uso clínico para tratar defeitos de nervos periféricos, enquanto enfrentam limitações NOTÁVEIS, como fontes limitadas e questões éticas.
Andaimes artificiais para regeneração de tecidos moles podem facilmente contornar esses limites para obter resultados promissores de regeneração. No entanto, o potencial de tradução dos andaimes biocompatíveis continua a ser um desafio para a regeneração tecidual devido à incompatibilidade mecânica entre a elevada rigidez dos andaimes artificiais e os tecidos receptores.
O biólogo Lecuit afirmou que “onde a forma está em jogo, as forças funcionarão em cada instância”.
Neste trabalho, Cao e colegas introduziram um método de DESIGN RACIONAL para uma classe de andaimes de rede BIOMIMÉTICOS e flexíveis PARA replicar RESPOSTAS MECÂNICAS não lineares dos tecidos e ORIENTAR a regeneração tecidual através de maior biocompatibilidade do enxerto e do hospedeiro.
Os pesquisadores desenvolveram uma rede flexível e implantaram a estrutura em experimentos com animais com modelos de defeito do nervo ciático de ratos e do tendão de Aquiles para obter resultados promissores para reparo de tecidos moles na clínica.
Caracterizações de andaimes de rede flexíveis e andaimes de conduítes eletrofiados sob estiramento axial, flambagem e compressão lateral. Respostas de tração uniaxiais cíclicas e configuração deformada obtidas a partir de FEA de (A) andaime de rede flexível e (B) andaime de conduíte. (C) Configurações deformadas do andaime de rede flexível (i) e do andaime de conduíte eletrofiado (ii) após flambagem por compressão (10 ciclos), com a cor denotando a distribuição de deformação plástica. (D) Razões de torção calculadas (ou seja, diminuição normalizada do diâmetro interno na região de torção) do andaime de rede flexível (para nervo ciático) e andaime de conduíte eletrofiado sob compressões axiais cíclicas. (E) Respostas compressivas laterais do andaime de rede flexível (i) e imagens ópticas de configurações iniciais e deformadas (ii). (F) Respostas compressivas laterais do andaime de conduíte eletrofiado (i) e imagens ópticas de configurações iniciais e deformadas (ii). (G) Respostas compressivas laterais do andaime treliçado (i) e imagens ópticas de configurações iniciais e deformadas (ii). Barras de escala, 2 mm [(C), (E), (F) e (G)]. Crédito da foto: SC, Universidade Tsinghua. Crédito da foto: SC, Universidade Tsinghua. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi8606
Projetos de engenharia racional para criar andaimes de rede flexíveis
O andaime de rede flexível continha uma estrutura tubular de rede macia e um filme nanofibroso ultrafino desenvolvido na superfície externa da rede tubular. Eles introduziram um PROJETO DE ENGENHARIA INVERSA desenvolvido em um modelo de materiais de rede flexível com microestruturas curvilíneas.
Eles então PROJETARAM os andaimes de rede flexíveis combinando litografia, deposição química de vapor e eletrofiação para completar o desenvolvimento de um andaime de rede bicamada. Usando as CONSTRUÇÕES, eles estudaram o desenvolvimento de microestruturas curvas para regeneração de tecidos moles. Em seguida, usando análise de elementos finitos e experimentos em laboratório, a equipe testou as respostas mecânicas dos andaimes de rede flexíveis.
Comportamento mecânico dos andaimes de rede flexíveis
A incompatibilidade mecânica entre o tecido receptor e os andaimes do conduíte eletrofiado pode resultar em regeneração ineficaz, devido à tensão de tração na sutura. Para avaliar esse efeito, eles conduziram respostas de tração uniaxiais de andaimes de rede flexíveis em comparação com andaimes de conduítes eletrofiados.
O andaime de rede flexível apresentou risco MUITO MENOR de arrancamento da sutura do que o andaime de conduíte eletrofiado devido à tensão de tração muito menor. Os andaimes de rede mostraram EXCELENTE flexibilidade e capacidade de reter a patência do conduto luminal, SEM falhas mecânicas durante os experimentos de regeneração.
Resultados de regeneração dos tendões de Aquiles. (A) Ilustração esquemática do desenho do experimento animal no modelo de defeito do tendão de Aquiles de rato. (B) coloração H&E (i) e coloração Masson (ii) de tendões regenerados em andaime de conduíte eletrofiado e andaime de rede flexível às 4 e 8 semanas de pós-operatório. (iii) Densidade de células em fibras de tendão regeneradas obtidas a partir de coloração H&E usando ImageJ (valor médio ± DP). (iv e v) Diagramas de rosa dos ângulos da fibra regenerada em relação à linha horizontal usando ImageJ. (C) coloração PSR do tendão saudável (i) e tendões regenerados em andaime de rede flexível (ii), bem como andaime de conduíte eletrofiado (iii). (D) Imagens de andaime de rede flexível implantado (i) e andaime de conduíte eletrofiado (ii). (E) (i) Pegadas representativas de ratos implantados com andaime de rede flexível e andaime de conduíte eletrofiado em 2, 4, 6 e 8 semanas de pós-operatório. (ii) Análises do índice funcional de Aquiles (AFI) de ratos implantados com estrutura de rede flexível e estrutura de conduíte eletrofiado. Zero AFI indica normal e valores negativos indicam comprometimento funcional. (F) (i e ii) Coloração de Masson do músculo gastrocnêmio no grupo tratado cirurgicamente, onde a área vermelha é a fibra muscular. (iii) Área média das fibras musculares no andaime de conduíte eletrofiado e no andaime de rede flexível (a coluna mostra o valor médio ± DP). (G) Respostas de tração uniaxiais do tecido nervoso saudável e dos tendões de Aquiles regenerados com base no andaime de conduíte eletrofiado, bem como no andaime de rede flexível. Barras de escala, 100 μm (B), 100 μm (C), 1 cm (D) e 300 μm (F). *P < 0,05, ***P < 0,001, n.s., não significativo. Crédito da foto: Y.W., o Quarto Centro Médico do Hospital Geral Chinês do PLA. Crédito: Science Advances, doi: 10.1126/sciadv.adi8606
Validando o desempenho regenerativo dos andaimes de tecido
A equipe de estudo validou o desempenho regenerativo da estrutura flexível conduzindo experimentos utilizando modelos de ratos com longos defeitos nos nervos ciáticos.
Além dos andaimes de rede flexíveis, a equipe testou andaimes de conduítes eletrofiados e andaimes de treliça com microestruturas retas e enxertos de nervos autólogos.
Os experimentos incluíram análises histológicas, biomecânicas ou funcionais. A regeneração nervosa também acompanhou a regeneração dos vasos sanguíneos para melhorar o desempenho regenerativo das estruturas de rede flexíveis em comparação com as estruturas de conduíte eletrofiadas.
Os andaimes de rede flexíveis mostraram EXTENSAS aplicações durante a regeneração de tecidos moles em um modelo de defeito no tendão de Aquiles de rato com rede flexível e andaimes de conduítes eletrofiados. Enquanto as fibras regeneradas passavam por um processo de remodelação com a estrutura de rede flexível, a maior parte do colágeno foi convertida do tipo III para o tipo I. Os cientistas estudaram a função dos tendões regenerados conduzindo análises quantitativas com CatWalk para representar vídeos de caminhada de ratos com defeitos no tendão de Aquiles reparado no pós-operatório em duas semanas
Panorama
Dessa forma, Shunze Cao e colegas implementaram um projeto racional de engenharia reversa e estruturas de rede flexíveis biomiméticas para aumentar a eficiência da regeneração de tecidos moles. Os recursos leves, altamente flexíveis e mecanicamente biomiméticos da estrutura de rede são atraentes para o tratamento clínico de lesões de tecidos moles.
A PLATAFORMA DE DESIGN forneceu uma ferramenta fundamental para estudar e compreender a relação entre microambientes mecânicos e respostas biológicas, juntamente com respostas biológicas de células e tecidos. A equipe conseguiu combinar investigações experimentais com análises de bioinformática para revelar mecanismos moleculares subjacentes aos efeitos pró-regeneração de estruturas de rede flexíveis biomiméticas.
[Ênfase adicionada]
Mais informações: Shunze Cao et al, Inversely engineered biomimetic flexible network scaffolds for soft tissue regeneration, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi8606
Sean V. Murphy et al, Opportunities and challenges of translational 3D bioprinting, Nature Biomedical Engineering (2019). DOI: 10.1038/s41551-019-0471-7
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