The effect of electric fields on hyaline cartilage: an in vitro and in silico study

Abstract

[ES] El cartílago hialino es un tejido conectivo denso con poca capacidad de auto regeneración cuando es afectado por patologías degenerativas. Por lo tanto, la estimulación eléctrica se ha propuesto como una terapia alternativa no invasiva para mejorar la reparación del cartílago hialino. De acuerdo con esto, este trabajo presenta un enfoque computacional y experimental combinado para entender mejor la biología del cartílago hialino y su respuesta a la estimulación eléctrica usando diferentes modelos in vitro. En primer lugar, se ha desarrollado un modelo mecanobiológico para simular el proceso de osificación endocondral. Por otro lado, se ha evaluado el efecto de la estimulación eléctrica sobre el cartílago hialino en tres escenarios diferentes. Inicialmente se ha analizado la proliferación celular y la síntesis de glicosaminoglicanos de condrocitos cultivados en monocapa y estimulados con campos eléctricos. Luego, se ha realizado un análisis histomorfométrico a explantes de condroepífisis que fueron estimulados eléctricamente. Por último, se ha evaluado el efecto de los campos eléctricos sobre la diferenciación condrogénica de células madre mesenquimales cultivadas en hidrogeles. Los resultados indican que la estimulación eléctrica es un estímulo biofísico prometedor, ya que este tipo de estimulación mejora la viabilidad y la proliferación celular, induce cambios morfológicos en los condrocitos, y estimula la síntesis de las principales moléculas que componen el cartílago hialino, tales como SOX-9, glicosaminoglicanos y agrecan. Además, este proyecto es el primer paso hacia la implementación de un estímulo biofísico alternativo que modifica la dinámica celular de los condrocitos de la placa de crecimiento en condiciones ex vivo. Adicionalmente, este estudio resalta el efecto potencial de los campos eléctricos para inducir el proceso de condrogénesis de células madre mesenquimales cultivadas en condiciones basales. En general, la evaluación de la estimulación eléctrica sobre condrocitos, tejidos y andamios es una herramienta útil que puede contribuir al conocimiento actual de las terapias regenerativas enfocadas en la regeneración del cartílago hialino.

[CA] El cartílag hialí és un teixit connectiu dens amb poca capacitat d'auto regeneració quan es veu afectat per patologies degeneratives. Per tant, l'estimulació elèctrica s'ha proposat com una teràpia alternativa no invasiva per millorar la reparació del cartílag articular. D'acord amb això, aquest treball presenta un enfoc computacional i experimental combinat per entendre millor la biologia del cartílag hialí i la seva resposta a l'estimulació elèctrica usant diferents models in vitro. En primer lloc, s'ha desenvolupat un model mecanobiològic per simular el procés d'ossificació endocondral. D'altra banda, s'ha avaluat l'efecte de l'estimulació elèctrica sobre el cartílag hialí en tres escenaris diferents. Inicialment s'ha analitzat la proliferació cel·lular i la síntesi de glicosaminoglicans de condròcits cultivats en monocapa i estimulats amb camps elèctrics. Després, s'ha realitzat una anàlisi histomorfomètrica a explants de condroepífisis que van ser estimulats elèctricament. Finalment, s'ha avaluat l'efecte dels camps elèctrics sobre la diferenciació condrogénica de cèl·lules mare mesenquimals cultivades en hidrogels. Els resultats indiquen que l'estimulació elèctrica és un estímul biofîsic prometedor, ja que aquest tipus d'estimulació millora la viabilitat i la proliferació cel·lular, indueix canvis morfològics en els condròcits, i estimula la síntesi de les principals molècules que componen el cartílag hialí, com ara SOX-9, glicosaminoglicans i agrecan. A més, aquest projecte és el primer pas cap a la implementació d'un estímul biofísic alternatiu que modifica la dinàmica cel·lular dels condròcits de la placa de creixement en condicions ex vivo. Addicionalment, aquest estudi ressalta l'efecte potencial dels camps elèctrics per induir el procés de condrogènesi de cèl·lules mare mesenquimals cultivades en condicions basals. En general, l'avaluació de l'estimulació elèctrica sobre condròcits, teixits i scaffolds és una eina útil que pot contribuir al coneixement actual de les teràpies regeneratives enfocades a la regeneració del cartílag hialí.

[EN] Hyaline cartilage is a dense connective tissue with low self-healing capacity when is affected by degenerative pathologies. Therefore, electrical stimulation has been proposed as a possible non-invasive alternative therapy to enhance the restoration of the cartilaginous tissue. Accordingly, this work presents a combined computational and experimental approach to understand better the hyaline cartilage biology and its response to electrical stimulation using different in vitro models. On the one hand, a mechanobiological model was developed to simulate the endochondral ossification process. On the other hand, the electrical stimulation on hyaline cartilage was evaluated in three different scenarios. Initially, cell proliferation and glycosaminoglycans synthesis of chondrocytes, cultured in monolayer and stimulated with electric fields, was analyzed. Then, a histomorphometric analysis was performed to chondroepiphysis explants that were electrically stimulated. Finally, the effects of the electric fields on chondrogenic differentiation of mesenchymal stem cells cultured in hydrogels was assessed. The results indicated that electrical stimulation is a promising biophysical stimulus, due to the fact that this type of stimulation enhances the viability and the proliferation of cells, induces morphological changes in the chondrocytes, and stimulates the synthesis of the main molecules that compose the hyaline cartilage, such as SOX-9, glycosaminoglycans and aggrecan. Moreover, this project is the first step towards the implementation of an alternative biophysical stimulus that modifies the cellular dynamics of growth plate chondrocytes in ex vivo conditions. Additionally, this study highlights the potential effect of electric fields to induce the chondrogenesis process of mesenchymal stem cells cultured in basal conditions. Overall, the assessment of electrical stimulation on chondrocytes, tissues and scaffolds is a useful tool that may contribute to the current knowledge of regenerative therapies focused on hyaline cartilage healing.