Generación de un modelo de esferoide heterotípico a partir de células madre en hipoxia para la producción de condrocitos inmaduros y proteínas de la matriz extracelular asociadas con cartílago hialino humano

Las lesiones osteocondrales son daños tisulares que comprometen el cartílago hialino articular y/o el hueso subcondral que frecuentemente evolucionan hacia osteoartrosis Bradley19891(1)1117Bradley, J.Dandy, D. J.Newmarket General Hospital, Suffolk, England.Osteochondritis dissecans and other lesions of the femoral condylesJ Bone Joint Surg Br518-22713AdolescentAdultAgedArthroscopyCartilage Diseases/classificationCartilage, Articular/injuriesChildFemale*Femur/pathologyFractures, Bone/pathologyFractures, CartilageHumansMaleMiddle AgedOsteochondritis/*classificationOsteochondritis Dissecans/*classification/diagnosis/pathology1989May0301-620X (Print) 0301-620X (Linking)2722949http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2722949(1). Este tipo de lesiones se produce frecuentemente en pacientes adultos mayores de 30 años y ocasionalmente en la población infantil Hjelle20022(2)2217Hjelle, K.Solheim, E.Strand, T.Muri, R.Brittberg, M.Department of Orthopaedics, Deaconess Hospital, Haraldsplass, University of Bergen, Norway.Articular cartilage defects in 1,000 knee arthroscopiesArthroscopy730-4187AdolescentAdultAgedAged, 80 and overArthroscopy/*methodsCartilage Diseases/complications/*surgeryCartilage, Articular/pathology/*surgeryDisease SusceptibilityFemaleHumansKnee Injuries/complications/surgeryMaleMiddle AgedOsteoarthritis/etiology/surgeryProspective Studies2002Sep1526-3231 (Electronic) 0749-8063 (Linking)12209430http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/12209430(2). Con frecuencia, las lesiones osteocondrales son irreversibles debido a que el cartílago hialino tiene una limitada capacidad de reparación endógena relacionada con su baja perfusión vascular; adicionalmente, cuando se llevan a cabo procesos de cicatrización es frecuente encontrar tejido fibroso o fibrocartílago, que cuenta con deficientes características biomecánicas dada su composición Prado20163(3)3317Prado, M. P.Kennedy, J. G.Raduan, F.Nery, C.Hospital Israelita Albert Einstein, Sao Paulo, SP, Brazil. Hospital for Special Surgery, New York, United States. Universidade Federal de Sao Paulo, Escola Paulista de Medicina, Departamento de Ortopedia e Traumatologia, Sao Paulo, SP, Brazil. Universidade Federal de Sao Paulo, Sao Paulo, SP, Brazil.Diagnosis and treatment of osteochondral lesions of the ankle: current conceptsRev Bras Ortop489-500515Ankle injuries/diagnosisAnkle injuries/therapyOsteochondritis/diagnosisOsteochondritis/therapyTalus2016Sep-Oct2255-4971 (Linking)27818968http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27818968509102610.1016/j.rboe.2016.08.007(3). Aunque existen opciones terapéuticas para el tratamiento de éstas lesiones ninguna de éstas son eficientes a largo plazo; es así, que tratamientos como el desbridamiento artroscópico no produce una resolución completa de la lesión, las perforaciones óseas periféricas inducen la generación de fibrocartílago que no responde a la fisiología normal del tejido, y el trasplante de condrocitos, que es una de las alternativas terapéuticas más utilizadas, requiere dos intervenciones quirúrgicas que aumentan el riesgo de infección en el paciente sin garantizar completamente la restauración del cartílago hialino a largo plazo (7). Adicionalmente, solo en la ciudad de Bogotá D.C., según la Encuesta Nacional de la Situación Nutricional en Colombia (año 2015), la ciudad registró en su población un sobrepeso en el 27,7% de sus habitantes, lo que corresponde aproximadamente a más de dos millones de bogotanos con una alta predisposición a desarrollar lesiones osteocondrales asociadas con éste factor de riesgo Familiar201539(8)393917Instituto Colombiano de Bienestar FamiliarEncuesta Nacional de Situación Nutricional ENSIN2015https://www.icbf.gov.co/bienestar/nutricion/encuesta-nacional-situacion-nutricional#ensin3Familiar201539393917Instituto Colombiano de Bienestar FamiliarEncuesta Nacional de Situación Nutricional ENSIN2015https://www.icbf.gov.co/bienestar/nutricion/encuesta-nacional-situacion-nutricional#ensin3(8); por lo tanto, dados éstos antecedentes fisiopatológicos y epidemiológicos, es necesario abordar nuevas opciones terapéuticas para lesiones osteocondrales como las terapias avanzadas con células madre. Estudios demuestran que la terapia con células madre/estromales mesenquimales (CMM), particularmente aisladas de médula ósea (MO) (28); en este sentido, una de las nuevas estrategias en regeneración tisular consiste en desarrollar in vitro esferoides/organoides conformados por diferentes poblaciones celulares, como CMM y células madre “tejido específico”, que imiten de forma más cercana el microambiente in vivo y no el uso de una única población de células madre expandidas in vitro como estrategia terapéutica (34). Estudios señalan que los niveles bajos de oxigeno (≤5%) son fundamentales para mejorar la producción de cartílago hialino in vitro a partir de células madre (38) y la expresión de factores asociados con la diferenciación condrogénica temprana (cartílago hialino) como Sox9, colágeno tipo II, agrecano y matrilin-1 EN.CITE.DATA (35, 36) ; en comparación con el uso de niveles altos de oxigeno (21%) en los cultivos, lo que induce la generación de condrocitos hipertróficos los cuales pierden la expresión de Sox9 y sintetizan colágeno tipo X, MMP13 y osteopondina favoreciendo la producción de tejido óseo y no de cartílago hialino EN.CITE.DATA (39, 40) . Con respecto a la formación de una topografía in vitro que imite los tejidos in vivo, específicamente en la generación de cartílago hialino, se ha demostrado que las células madre expandidas y diferenciadas en sistemas de cultivo 2D tienen una menor capacidad de diferenciación condrocítica en comparación a las estrategias de cultivo 3D EN.CITE.DATA ; posiblemente porque el sistema 3D promueve la síntesis de proteínas de la matriz extracelular, induce el crecimiento y migración de las células en tres planos (x-y-z), son sistemas de baja rigidez, generan un gradiente de factores solubles y las células desarrollan una polaridad “no forzada” en comparación a los cultivos 2D EN.CITE.DATA (42, 43) . En la línea de investigación “Biología de las Células Madre” del grupo de Inmunobiología y Biología Celular de la Universidad Javeriana en colaboración con el Departamento de Ortopedia y Traumatología del Hospital Universitario San Ignacio (trayectoria del grupo de investigación del proyecto, ver Anexo 1), hemos trabajado desde hace varios años en el estudio de las interacciones entre diferentes poblaciones de células madre humanas normales y patológicas EN.CITE.DATA (44, 45) , en los factores que influyenen la óptima expansión in vitro de CMM de MO humana EN.CITE.DATA (46-48) e implementamos el sistema de cultivo 3D por el método de levitación magnética, el cual nos permitió desarrollar esferoides heterotípicos (multicelulares organotípicos) con la propiedad de imitar el microambiente de células madre hematopoyéticas humanas de forma cercana al tejido in vivo EN.CITE.DATA (49, 50) ; demostrando que los sistemas de cultivo 3D proporcionan condiciones de cultivo cercanas a la topografía normal de los tejidos. Se ha demostrado que la expansión in vitro de células madre en sistemas de cultivo 3D modifican favorablemente sus propiedades regenerativas, anti-inflamatorias, angiogénicas, multipotentes y de adaptación a tejidos hipóxicos EN.CITE.DATA (51-53) y pueden influir favorablemente en la generación de condrocitos inmaduros a partir de esferoides heterotípicos conformados por CMM y células madre del sistema esquelético (CMSE). Estos antecedentes nos permiten proponer la hipótesis que las CMM de MO co-cultivadas con células madre del sistema esquelético (CMSE) de MO en un sistema 3D en condiciones de hipoxia, genera una mayor proporción de condrocitos inmaduros con alta expresión de Sox9 y proteínas de la matriz extracelular como colágeno tipo II y proteoglicanos tipo agrecano con baja producción de condrocitos hipertróficos; por lo tanto, se espera abordar la siguiente pregunta de investigación con el desarrollo de éste proyecto: ¿A partir de la interacción entre CMM y CMSE, en un sistema de cultivo 3D en hipoxia, se podrán generar condrocitos inmaduros y proteínas de la matriz extracelular asociadas con cartílago hialino humano? (Bibliografía, ver Anexo 2) PALABRAS CLAVE: Células madre mesenquimales, Células madre de sistema esquelético, cartílago, terapia celular, condrocitos inmaduros, colágeno tipo II