p O padrão ouro atual para cirurgia de enxerto ósseo inclui autoenxertos e aloenxertos, embora exista uma demanda crescente para desenvolver biomateriais sintéticos para biointegração aprimorada na engenharia de tecido ósseo. Em um novo relatório agora publicado em Materiais de comunicação da natureza , Hideo Fushimi e uma equipe de pesquisa em biociências e engenharia, e biotecnologia reconstrutiva no Japão e nos EUA, desenvolveu um material de suporte biodegradável usando proteínas ou polipeptídeos recombinantes como fonte de materiais de enxerto à base de hidrogel. A equipe usou a cadeia alfa 1 do colágeno tipo I humano (abreviado RCPhC1) como uma fonte para desenvolver o polipeptídeo recombinante e demonstrou a flexibilidade do material para projetar as características ideais para enxertos ósseos. A equipe também desenvolveu enxertos ósseos RCPhC1 usando um sistema altamente escalonável, protocolo de produção simplificado para a geração robusta de tecido ósseo maduro no laboratório. O enxerto ósseo foi completamente reabsorvido após a regeneração do tecido em um modelo animal pré-clínico para integração biológica efetiva. p Engenharia de tecido ósseo com biomimética, enxertos ósseos sintéticos

p Nesse trabalho, Fushimi et al. desenvolveram um material de enxerto ósseo sintético usando uma proteína recombinante abreviada como RCPhC1. O desenvolvimento fornece uma fonte de material versátil para a fabricação de enxertos ósseos sintéticos por meio de engenharia flexível. Usando estudos pré-clínicos em modelos de defeitos ósseos caninos e roedores, a equipe demonstrou maior eficiência dos enxertos ósseos para regenerar o tecido ósseo com maturidade estrutural. Na ortopedia clínica, a perda de volume e função do tecido é uma marca registrada da lesão, inflamação crônica, e doenças metabólicas e genéticas. Embora o tecido ósseo possa se regenerar ativamente por meio da proliferação e diferenciação osteogênica do estroma mesenquimal ou das células-tronco, grandes defeitos ósseos requerem intervenções cirúrgicas para reparar e reconstruir ossos com materiais de enxerto ósseo.

p Globalmente, Os cirurgiões ortopédicos realizam aproximadamente 2,2 milhões de procedimentos de enxerto ósseo anualmente em um mercado global extremamente caro. O tecido ósseo humano é composto de matriz extracelular orgânica, minerais de cálcio e fósforo cristalizados que formam a hidroxiapatita. Os materiais de enxerto ósseo podem imitar a estrutura e composição bioquímica do tecido ósseo. Os cirurgiões ortopédicos e pesquisadores usaram enxertos ósseos autólogos (células e tecidos obtidos do mesmo indivíduo) para reparar defeitos ósseos devido a questões minerais e imunológicas, embora complicações nos locais da cirurgia possam levar a métodos alternativos de enxerto, como aloenxertos (células e tecidos obtidos de um indivíduo diferente). O desenvolvimento mais recente da biomimética, biomateriais sintéticos para engenharia de tecido ósseo atendem a uma necessidade urgente no setor de saúde de desenvolver novos materiais de enxerto sem usar tecido humano ou animal.

p Engenharia do polipeptídeo recombinante e do material de enxerto

p A equipe usou colágeno tipo I, abundantemente expresso em tecidos conjuntivos e membranas intersticiais como um dos principais componentes orgânicos do tecido ósseo. A sequência de proteínas do colágeno tipo I desempenha um papel importante no estabelecimento da resistência mecânica do osso. A equipe primeiro clonou o DNA complementar (cDNA) - uma cópia de DNA de uma molécula de RNA mensageiro (mRNA) que codifica o polipeptídeo (sequência de proteína) RCPhC1, em um vetor de expressão. Para conseguir isso, eles usaram uma espécie de levedura metilotrófica conhecida como Pichia pastoris para transferir a sequência e gerar bancos de células mestre e de trabalho. A equipe confirmou a composição de aminoácidos do polipeptídeo sintético e caracterizou extensivamente o produto.

p Em seguida, eles projetaram a estrutura interna do material de enxerto para atender aos requisitos específicos do tecido-alvo. Para gerar uma estrutura de poro uniforme, Portanto, Fushimi et al. projetou um protocolo de fundição por congelamento de camada fina (TLFC). A abordagem de congelamento versátil gerou um grande número de poros com paredes finas para formar um andaime RCPhC1 isotrópico com várias estruturas internas.

p Perfil de reticulação desidrotérmica e otimização do material para regeneração óssea

p Fushimi et al. em seguida, submeteu o material a um tratamento de reticulação desidrotérmico para testar o efeito da temperatura e duração da reticulação em sua composição. Depois de testar o produto a jusante para contaminação microbiana, a temperatura durante o processo de fabricação foi confirmada para ser eficaz para esterilização por calor seco. Testes adicionais mostraram como a composição única de aminoácidos da proteína recombinante contribuiu para sua robusta eficiência de reticulação hidrotérmica. Em seguida, a equipe otimizou o material de proteína recombinante para enxerto ósseo, regulando a concentração do material polipeptídico e sua temperatura de congelamento com base no volume de osso induzido por enxerto em um modelo de defeito ósseo da calvária (crânio) de rato. Quatro semanas após enxertar o material no modelo animal, a equipe usou estimativa de volume ósseo baseada em micro tomografia computadorizada (micro TC). Os resultados indicaram uma concentração ideal de 7,5 por cento RCPhC1, uma temperatura de congelamento de -40 a -60 graus Celsius, e reticulação desidrotérmica a 130 ° C durante 7 horas para ser mais adequado para o fabrico de material de enxerto ósseo recombinante.

p Regeneração robusta de tecido ósseo vital em modelos pré-clínicos com materiais de enxerto

p Com base nas condições ideais verificadas experimentalmente, Fushimi et al. fabricou os enxertos ósseos RCPhC1 com grânulos porosos. Usando o modelo de defeito ósseo da calvária em rato, eles mostraram como o enxerto ósseo induziu a regeneração óssea de forma robusta dentro da estrutura interna dos poros, enquanto se degradam gradualmente in vivo, para indicar biocompatibilidade e biointegração eficaz. Eles compararam este resultado com um xenoenxerto de osso esponjoso descelularizado bovino (vaca) comercialmente disponível e não observaram uma regeneração óssea significativamente maior. A equipe então testou o material de enxerto ósseo em um modelo pré-clínico canino de extração dentária para compreender a cicatrização de feridas na cavidade dentária, onde o alvéolo de extração tratado com o enxerto ósseo mostrou formação óssea melhorada em 12 semanas. Por esta hora, como esperado, o enxerto ósseo foi amplamente substituído por tecido ósseo.

p Perspectiva de andaimes sintéticos na engenharia de tecido ósseo

p Desta maneira, Hideo Fushimi e colegas otimizaram um simples, mas um processo de engenharia crítico para regular a concentração de soluto de um polipeptídeo recombinante da proteína de cadeia alfa I do colágeno tipo I humano com substituições de aminoácidos direcionadas, abreviado como RCPhC1. A equipe primeiro implantou o construto em um modelo de defeito ósseo da calvária de rato para entender os fatores de engenharia ideais para fabricar o enxerto ósseo. Eles projetaram o material de enxerto ósseo para apoiar a migração de células-tronco mesenquimais (MSCs) em direção à área do defeito e forneceram um microambiente estimulante para a diferenciação osteogênica. O material de enxerto ósseo sozinho mostrou um padrão de cicatrização ideal na ausência de fatores de crescimento e células-tronco para regenerar o osso. O material pode ser usado para gerar dispositivos médicos específicos para tecidos e estruturas de enxerto com versatilidade de fabricação significativa em engenharia de tecido ósseo. p © 2020 Science X Network