Development of a tissue engineering platform using bovine species as a model: placental scaffolds seeded with bovine adipose-derived cells - Hill, Amanda Baracho Trindade [UNESP] (Universidade Estadual Paulista (Unesp), 2020)
A tecnologia de células-tronco e as ciências de biomateriais obtiveram um grande avanço nas últimas décadas e se tornaram mais populares em todo o mundo. Pesquisadores buscam investigar e avaliar diferentes fontes de células e de biomateriais que, em combinação, possam fornecer uma plataforma de engenharia tecidual de baixo custo e produzida em larga escala, para serem utilizadas em testes de drogas, terapias celulares e transplantes, com objetivo de fornecer suporte terapêutico à lesões e regeneração de tecidos danificados. Em geral, os três componentes mais importantes da engenharia de tecidos são: a escolha do tipo de célula, a fonte do biomaterial (scaffold), criação e manutenção de um ambiente propício à formação tecidual. Quando esses três componentes são gerenciados com sucesso, o microambiente celular in vitro é mais semelhante ao que a célula está exposta in vivo, permitindo que o crescimento e diferenciação celular ocorra de maneira mais fidedigna e eficiente. A placenta bovina descelularizada demonstrou ter uma rica matriz extracelular, vasos bem desenvolvidos, sendo um biomaterial com alta disponibilidade e baixo custo. No entanto, não há informação sobre o potencial dos scaffolds placentários em serem repovoados com células-tronco mesenquimais (MSC) derivadas do tecido adiposo, processo chamado recelularização. Ainda, também não há informação sobre a capacidade dos scaffolds placentários, de após recelularização, oferecer um ambiente adequado para diferenciação dessas células em diferentes linhagens. Assim, a fim de fornecer informações sobre a capacidade do complexo MSC - scaffold placentário em ser usado com sucesso na engenharia tecidual, os objetivos desta tese foram: estudar o potencial dos scaffolds placentários bovinos em oferecer suporte para recelularização por células-tronco derivadas do tecido adiposo bovino, bem como avaliar a capacidade de diferenciação celular em linhagens osteogênica e condrogênica. O primeiro artigo desta tese trata-se de uma revisão de literatura, que discute a natureza das células-tronco mesenquimais, suas aplicações na medicina regenerativa, a importância da tecnologia com células- tronco na indústria pecuária e o uso da espécie bovina na medicina translacional. O segundo artigo consiste na avaliação da recelularização e da diferenciação celular. As placentas bovinas foram decelularizadas por perfusão de SDS do vaso umbilical e as linhas celulares estabelecidas após digestão enzimática do tecido adiposo de seis vacas e seleção por adesão rápida à placa de cultivo. Em seguida, as células foram cultivadas com os scaffolds em um sistema de agitação 2D por 21 dias em meio de diferenciação ou manutenção. Quando cultivadas na placa de cultivo, as células isoladas exibiram morfologia semelhante ao fibroblasto, expressão de CD90, CD73 e CD105, enquanto não expressaram os marcadores CD34 e CD45. Além disso, as células foram capazes de se diferenciar em linhagens condrogênicas e osteogênicas, fornecendo evidências de sua natureza mesenquimal. Posteriormente, quando cultivadas com os scaffolds, as células aderiram-se aos mesmos por projeções celulares, estabeleceram comunicação célula-scaffold e se proliferaram, fato evidenciado por análise histológica e microscopia eletrônica de varredura (SEM). Em seguida, o potencial das células em se diferenciarem em linhagem osteogênica quando cultivadas com scaffold foi avaliado. Durante um período de cultivo de 21 dias no meio osteogênico, as células se proliferaram e diferenciaram de maneira dependente do tempo, ou seja, a cada semana pode ser observado maior abundância de células, evidenciada pela coloração dos núcleos celulares e aumento da intensidade da coloração para COLAGENO 1 (COL1), que também foi expresso por reação quantitativa em cadeia da polimerase em tempo real (qRT-PCR). O mesmo padrão foi observado pela análise histológica; acúmulos generalizados de cálcio também foram mais abundantes nos scaffolds na terceira semana de cultivo, evidenciado pela coloração de Von Kossa. A análise SEM revelou que as células secretaram estruturas globulares quando cultivadas sob condições de indução osteogênica, condizente com a secreção observada pela análise histológica. Em relação à diferenciação condrogênica, os corantes Safranina e Fast Green revelaram sucesso na diferenciação, através da coloração de proteoglicanos, células semelhantes aos condrócitos e colágeno tipo II. A análise SEM mostrou que as células mudaram sua morfologia de fibroblastos para globulares quando cultivadas com meio de indução condrogênica por 21 dias. Além disso, os complexos células-scaffold expressaram um marcador de linhagem cartilaginosa, COLAGENO 2 (COL2), que são condizentes com as observações histológicas e SEM. Considerando os resultados, este estudo demonstrou que os scaffolds placentários bovinos cultivados com células-tronco derivadas de tecido adiposo bovino possuem potencial para serem utilizados na engenharia de tecidos ósseos e cartilaginosos.

Stem cell technologies and biomaterial sciences have advanced and grown more popular all over the world. The researchers aim to investigate and evaluate different sources of cells and biomaterials that, in combination, could provide a low cost, highly scalable tissue engineering platform that could be used in drug tests, cell therapies and cell transplantation. The three most important components of tissue engineering systems in general are cell source, biomaterial source (scaffolding system), and the creation and maintenance of an environment that is conducive to tissue formation. When these three components are successfully managed, the tissue engineering treatment achieves a faithful imitation of the in vivo environment, allowing for the differentiation of cells into the desirable cell types. Decellularized bovine placenta has been demonstrated to be rich in extracellular matrix (ECM) and to have well-developed vasculature, representing a highly available, low cost, practically scalable biomaterial. However, it is not known if placental scaffolds have the potential to support recellularization with adipose-derived cells and their subsequent differentiation into different lineages. Thus, in order to provide information on the ability of the mesenchymal stem cell (MSC) - placental scaffold complex to be used in tissue engineering approaches, the objectives of this thesis were: to study the potential of bovine placental scaffolds to support adipose-derived cell recellularization and their differentiation into osteogenic and chondrogenic lineages. The first article of this thesis is a literature review that discusses the nature of mesenchymal stem cells, their applications in regenerative medicine, the importance of stem cell technologies to the livestock industry and the use of bovine species for translational medicine. The second article consists of an evaluation of scaffold recellularization and the differentiation of cells on the scaffolds. The bovine placentae were decellularized by umbilical vessel sodium dodecyl sulfate (SDS) perfusion and cell lines were established after the enzymatic digestion of adipose tissue from six cows and cell selection by rapid adherence to the culture plate. Then, cells were seeded onto the scaffolds and cultured in a 2D rocker system for 21 days in either differentiation or maintenance medium. The isolated cells, when cultured in the plastic dish, exhibited fibroblast-like morphology, CD90, CD73 and CD105 expression, and lacked CD34 and CD45 expression. Moreover, the cells were able to undergo differentiation into chondrogenic and osteogenic lineages, providing evidence of their mesenchymal nature. Subsequently, the cells adhered to the scaffolds by cell projections, established cell-scaffold communication, and proliferated while maintaining cell-cell communication, which was evidenced by histological and scanning electron microscopy (SEM) assays. Throughout a 21-day culture period in the osteogenic medium, the cells exhibited proliferation and differentiation in a time-dependent manner, which can be observed by the greater abundance of cells in later periods, evidenced by cell nuclei staining (4′,6-diamidino-2-phenylindole - DAPI) and increased intensity of staining for COLLAGEN 1 (COL1) in the immunohistochemical assay, and by its expression as measured by real time polymerase chain reaction (qRT-PCR). This same pattern was observed by histological analysis. Widespread calcium accumulations were also more abundant on the scaffolds as time progressed, as evidenced by Von Kossa staining. The SEM analysis revealed that cells secreted globular/round structures when seeded under osteogenic induction conditions, in accordance with histological findings. Regarding chondrogenic differentiation, Safranin O and Fast Green staining revealed successful differentiation through staining of proteoglycans, chondrocyte-like cells and type II collagen on the scaffold. The SEM analysis showed that the cells changed morphology from fibroblast-like to globular when cultured with chondrogenic induction medium for 21 days. Additionally, cell-scaffold complexes expressed a cartilage marker, COLLAGEN 2 (COL2), which is conducive to the histological and SEM observations. Considering the results as a whole, this study demonstrated that placental scaffolds seeded with adipose-derived cells have the potential to be used in bone and cartilage tissue-engineering applications.
Desenvolvimento de uma plataforma de engenharia tecidual utilizando a espécie bovina como modelo: scaffolds placentários cultivados com células derivadas do tecido adiposo
Keywords: Engenharia tecidual de cartilagem; Engenharia tecidual óssea; Placenta; Células tronco mesenquimais; Descelularização; Recelularização; Vacas; Medicina translacional; Regenerative medicine; Stem cells; Tissue engineering; Bovine; Mesenchymal stem cells