@misc{10481/74727,
year = {2022},
url = {http://hdl.handle.net/10481/74727},
abstract = {Articular cartilage is a tissue with important functions in preserving and enabling locomotion. However, it has limited intrinsic repair capacity when is damaged, which requires medical intervention. Conventional treatments for cartilage regeneration are not successful enough to repair articular cartilage defects. In the search of alternatives, bioprinting technology approaches are being explored as a promising solution, allowing the fabrication of viable cartilage substitutes by controlled deposition of cells and biomaterials that mimic the native tissue. For this, the selection of a suitable bioink (cell- carrier material), in terms of biological and mechanical properties, is crucial.
Among biomaterials, natural polysaccharides are one of the most attractive, due to structural similarities and high-water retention, that resemble native environment of cartilage. Another approach that has been recently explored is the use of decellularized extracellular matrix derived from tissue (tdECM), which provides unique biochemical cues and microenvironment. However, it entails some issues such as limited donor tissue availability, morbidity or immunogenicity. As alternative source, cell culture is gaining a lot of attention especially with mesenchymal stem cells (MSCs), as these allows to generate easily biomimetic matrices, overcoming limitations that entail extracellular matrix (ECM) derived from tissue.
The first objective of our study was to develop a new biomimetic bioink based on natural biomaterials, such as hyaluronic acid (HA), a main cartilage component, and alginate, which also provides suitable mechanical properties for cartilage tissue 3D bioprinting. The analysis of the main characteristics required for this application revealed an appropriate printability, jellying abilities, stiffness and degradability of this natural biomimetic bioink. In addition, biological assays demonstrated the positive effect of HA, improving the ability of chondrocytes to proliferate and produce ECM components, collagen type II and glycosaminoglycans (GAGs). The analysis of gene expression also indicated that it facilitates phenotype maintenance for long-term culture, increasing the expression of mature chondrocyte genes (collagen type II, aggrecan and Sox9) and reducing non-specific genes, such as fibrotic (Collagen type I) and hypertrophic (Collagen X) markers.
The second objective was to develop a biomimetic bioink that better resembles chondrogenic environment based on decellularized ECM derived from MSCs in culture (dECM). In this attempt, we first were able to generate a matrix with a composition similar to that in early-step chondrogenic process, proving elements necessaries for tissue development not present in mature cartilaginous ECM. After its effective decellularization, demonstrated by maximal cellular removal and minimal matrix subtraction, it was possible to formulate a bioink with suitable properties to be applied in 3D bioprinting, such as shear thinning behavior, good shear recovery and gelling abilities. In addition to mechanical properties, its biocompatibility and bioactive properties were also demonstrated. We could evidence, by gene expression and histological assays, that this novel biomimetic bioink, at different concentrations, was capable to induce chondrogenesis of MSCs and cartilage tissue formation both in vitro e in vivo.
Summarizing, here we present a robust and extensive study in which two different biomimetic bioinks suitable for cartilage 3D bioprinting were developed, demonstrating their biological and mechanical properties in vitro e in vivo, and encouraging its future application in the clinical arena.},
abstract = {El cartílago articular es un tejido con funciones importantes en la preservación y ejecución de la locomoción. No obstante, tiene una capacidad de reparación intrínseca limitada cuando éste se daña, que requiere intervención médica. Los tratamientos convencionales para la regeneración del cartílago no son suficientemente efectivas para reparar los defectos del cartílago articular. En la búsqueda de alternativas, la tecnología de bioimpresión se está considerando una opción prometedora, puesto que permite la fabricación de sustitutos viables de cartílago mediante la deposición controlada de células y biomateriales, que imitan el tejido nativo. Para ello, la selección de una biotinta (material portador de células) adecuada, en términos biológicos y mecánicos, es crucial.
Entre los biomateriales disponibles actualmente, los polisacáridos naturales son uno de los más atractivos, debido a sus características estructurales y a su alta capacidad de retención de agua que permiten proporcionar un ambiente semejante al del cartílago nativo. Otro posibilidad que se ha explorado recientemente es el uso de la matriz extracelular descelularizada derivada de tejido (tdECM), capaz de proporcionar unas señales bioquímicas y un microambiente únicos. Sin embargo, conlleva algunos problemas, como la disponibilidad limitada de tejido donante, la morbilidad o la inmunogenicidad. Como fuente alternativa, el cultivo celular está recibiendo una gran atención, especialmente de las Células Madre Mesenquimales (MSCs), ya que éstas permiten generar fácilmente matrices biomiméticas, sin presentar las limitaciones que supone la matriz derivada de los tejidos.
El primer objetivo de nuestro estudio fue desarrollar una nieva biotinta biomimética basada en biomateriales naturales, como el ácido hialurónico (HA), uno de los principales componentes del cartílago, y el alginato, que además proporciona una propiedades mecánicas adecuadas para la bioimpresión 3D. El análisis de las características principales requeridas para dicha aplicación determinó que esta biotinta bimimética poseía una adecuada printabilidad, capacidad de gelificación, rigidez y degradabilidad. Además, los ensayos biológicos evidenciaron el efecto positivo de HA, el cual mejoró la capacidad de los condrocitos para proliferar y producir componentes de la matriz extracelular, colágeno tipo II y glucosaminoglicanos. El análisis de la expresión génica también indicó una mejora en el mantenimiento del fenotipo para el cultivo a largo plazo, aumentando la expresión de los marcadores específicos de condrocitos maduros (colágeno tipo II, agrecano y Sox9) y reduciendo los no específicos de cartílago hialino, como el marcador fibrótico (colágeno tipo I) y el hipertrófico (Colágeno X).
El segundo objetivo fue desarrollar una biotinta biomimética que asemejara mejor el ambiente condrogénico, a partir de matriz derivada de MSCs en cultivo. Para ello, primero se generó una matriz con una composición similar a la establecida durante el proceso condrogénico embrionario, conteniendo los elementos necesarios para el desarrollo del tejido y que no están presentes en la matriz cartilaginosa madura. Después de su efectiva descelularización, demostrada por la eliminación máxima de contenido celular y la sustracción mínima de la matriz, fue posible formular un biotinta con propiedades adecuadas para su aplicación en la bioimpresión 3D, como viscoelasticidad, gran capacidad de recuperación y de gelificación. Además de las propiedades mecánicas, también se demostró su biocompatibilidad y propiedades bioactivas. Mediante el análisis de expresión génica e histológicos se determinó que esta nueva biotinta biomimética, a diferentes concentraciones, fue capaz de inducir la condrogénesis de MSCs y la formación de tejido de cartílago, tanto in vitro como in vivo.
En resumen, aquí presentamos un estudio robusto y extenso en el que se desarrollaron dos bioenlaces biomiméticos diferentes adecuados para la bioimpresión 3D de cartílago, demostrando sus propiedades biológicas y mecánicas in vitro e in vivo, y alentamos su futura aplicación en el ámbito clínico.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
publisher = {Universidad de Granada},
keywords = {Biomimetic bioinks},
keywords = {3D bioprinting},
keywords = {Cartilage tissue},
title = {Development of new biomimetic bioinks useful in 3D bioprinting of cartilage tissue},
author = {Antich Acedo, Cristina},
}