Generación y caracterización de microtejidos funcionales para su utilización en protocolos de ingeniería tisular

Abstract

Tissue Engineering (IT) has the objective of achieving the generation of artificial tissues that allow to repair, restore or even improve the functions of damaged tissues and organs. For this, it is essential that artificial tissues are biomimetic and highly biocompatible and, therefore, a large part of the efforts and research that arise in this field are focused on the design, generation and optimization of the basic elements of IT, such as biomaterials, cells and growth factors, which are combined for the biofabrication of artificial tissues for clinical use. In terms of biomaterials, the similarity in terms of the physical-chemical and structural properties of native tissues is sought, this are given by the extracellular matrix. Within the cell component it is sought to obtain, the behavior, function, viability and capacity for differentiation and maturation specific to a native tissue, from various cell populations. Finally, from growth factors or supplementation mediums, we seek to find those chemical stimuli that allow us to regulate cell behavior and differentiation to achieve the aforementioned objectives. As an alternative to the conventional biofabrication process, the microtissue technique (MT) has emerged, which allows generating highly functional biological units from cells and their capacity for proliferation, interaction and synthesis of extracellular matrix. For this purpose, different techniques have been developed, being the use of agarose microchips one of the simplest and most versatile techniques, which allows regulating the dimensions and geometry of the microtissues generated. In this Doctoral Thesis, the main objective is the generation of microtissues from two cellular sources, on the one hand Wharton jelly stem cells from umbilical cord (WJSC), and on the other hand human fibroblasts derived from oral mucosa (FIB) as a control group. For this purpose, the agarose microchip technique was used. The microtissues generated (MT-WJSC and MT-FIB) were evaluated and characterized during 28 days of ex vivo development, in order to understand the behavior of these cells, as well as their biological properties during the biofabrication process. The characterization of the MTs was carried out by a morphometric evaluation of the biofabrication process. The properties of cell viability and function were determined through morphofunctional and biochemical tests. Finally, a characterization of the cells and the extracellular matrix generated was performed using histological, histochemical and immunohistochemical techniques. Morphometric analysis revealed a process of progressive aggregation and compaction over time in both MT. MT-WJSC turned out to be considerably larger than MT-FIB. Assessment of cell viability and function showed that both MTs were composed of mostly metabolically active and viable cells, especially MT-WJSCs generated between days 4-21 of ex vivo development. Histological studies confirmed the findings through the morphometric analysis, such as the aggregation, compaction and circularity of the MT generated. In the case of MT-WJSC, histology revealed the progressive formation of a nucleus rich in various components of the extracellular matrix, which differs with the homogeneous distribution pattern observed in MT-FIB. The study of the extracellular matrix confirmed the great capacity for synthesis of various matrix molecules in both MTs, being considerably more abundant and complex in the MT-WJSC. Finally, this Doctoral Thesis project demonstrates the possibility of generating structurally stable, viable and functional MT from a new cellular source, the WJSC. These results demonstrate that the new MT generated from the WJSC have the biological and structural properties necessary for their use in various IT biofabrication protocols. However, further studies are needed to determine the potential therapeutic utility of these new advanced therapy products.

La Ingeniería tisular (IT) tiene el objetivo de lograr la generación de tejidos artificiales que permitan reparar, restaurar o incluso mejorar las funciones de tejidos y órganos dañados. Para ello es imprescindible que los tejidos artificiales sean biomiméticos y altamente biocompatibles y, por lo tanto, gran parte de los esfuerzos y las investigaciones que surgen en este ámbito, están enfocadas en el diseño, generación y optimización de los elementos básicos de la IT, como son los biomateriales, las células y los factores de crecimiento, los cuales son combinados para la biofabricación de tejidos artificiales para uso clínico. En los biomateriales se busca, desde luego, la similitud en cuanto a las propiedades físico-químicas y estructurales de los tejidos nativos, las cuales otorga la matriz extracelular. Del componente celular se busca obtener, a partir de diversas poblaciones celulares, el comportamiento, función, viabilidad y capacidad de diferenciación y maduración específicas de un tejido nativo, para suplir su función de manera eficiente. Finalmente, de los factores de crecimiento o medios de suplementación, se busca encontrar aquellos estímulos químicos que nos permitan regular el comportamiento y diferenciación celular para lograr los objetivos mencionados. Como una alternativa al proceso de biofabricación convencional surge la técnica de microtejidos (MT), la cual permite generar unidades biológicas altamente funcionales a partir de células y su capacidad de proliferación, interacción y síntesis de matriz extracelular. Para ello se han desarrollado distintas técnicas, siendo el uso de microchips de agarosa una de las técnicas más simples y versátiles, la cual permite regular las dimensiones y geometría de los microtejidos generados. En la presente Tesis Doctoral, se plantea como objetivo principal la generación de microtejidos a partir de dos fuentes celulares, por un lado, las células madre de la gelatina de Wharton del cordón umbilical (WJSC), y por otro lado los fibroblastos humanos de mucosa oral (FIB) como grupo control. Para este propósito se utilizó la técnica de microchips de agarosa. Los microtejidos generados fueron (MT-WJSC y MT-FIB) evaluados y caracterizados durante 28 días de desarrollo ex vivo, con el fin de comprender el comportamiento de estas células, así como sus propiedades biológicas durante el proceso de biofabricación. La caracterización de los MT se llevó a cabo mediante una evaluación morfométrica del proceso de biofabricación. A través de pruebas morfofuncionales y bioquímicas se determinaron las propiedades de viabilidad y función celular. Por último, de realizó una caracterización de las células y la matriz extracelular generada mediante técnicas histológicas, histoquímicas e inmunohistoquímicas. El análisis morfométrico reveló un proceso de agregación y compactación progresiva en el transcurso del tiempo en ambos MT. Los MTWJSC resultaron ser considerablemente más grandes que los MT-FIB. La evaluación de la viabilidad y función celular demostró que ambos MT estaban compuestos mayoritariamente por células viables y metabólicamente activas, especialmente los MT-WJSC generados entre los días 4-21 de desarrollo ex vivo. Los estudios histológicos confirmaron los hallazgos del análisis morfométrico, como la agregación, compactación y circularidad de los MT generados. En el caso de los MT-WJSC, la histología reveló la formación progresiva de un núcleo rico en diversos componentes de la matriz extracelular, lo cual difiere con el patrón de distribución homogénea observado en los MTFIB. El estudio de la matriz extracelular confirmo la gran capacidad de síntesis de diversas moléculas de la matriz en ambos MT, siendo considerablemente más abundante y compleja en los MT-WJSC. Finalmente, este proyecto de Tesis Doctoral demuestra la posibilidad de generar MT estructuralmente estables, viables y funcionales a partir de una nueva fuente celular, las WJSC. Estos resultados demuestran que los nuevos MT generados a partir de las WJSC reúnen las propiedades biológicas y estructurales necesarias para su utilización en diversos protocolos de biofabricación en IT. No obstante, es preciso desarrollar más estudios para determinar la potencial utilidad terapéutica de estos nuevos productos de terapias avanzadas.