Tissue engineering techniques to regenerate articular cartilage using polymeric scaffolds

Abstract

[EN] Articular cartilage is a tissue that consists of chondrocytes surrounded by a dense extracellular matrix (ECM). The ECM is mainly composed of type II collagen and proteoglycans. The main function of articular cartilage is to provide a lubricated surface for articulation. Articular cartilage damage is common and may lead to osteoarthritis. Articular cartilage does not have blood vessels, nerves or lymphatic vessels and therefore has limited capacity for intrinsic healing and repair. Tissue engineering (TE) is a powerful approach for healing degenerated cartilage. TE uses three-dimensional (3D) scaffolds as cellular culture supports. The scaffold provides a structure that facilitates chondrocyte adhesion and expansion while maintaining a chondrocytic phenotype and limiting dedifferentiation, which is a problem in two-dimensional (2D) systems. Cell attachment to the scaffolds depends on the physical and chemical characteristics of their surface (morphology, rigidity, equilibrium water content, surface tension, hydrophilicity, presence of electric charges). The primary aim of this thesis was to study the influence of different kinds of biomaterials on the response of chondrocytes to in vitro culture. 3D scaffold constructs must have an interconnected porous structure in order to allow cell development through the network, to maintain their differentiated function, as well as to allow the entry and exit of nutrients and metabolic waste removal. Therefore, the effect of the hydrophilicity and pore architecture of the scaffolds was studied. A series of polymer and copolymer networks with varying hydrophilicity was synthesised and biologically tested in monolayer culture. Cell viability, proliferation and aggrecan expression were quantified. When human chondrocytes were cultured on polymer substrates in which the hydrophilic groups were homogeneously distributed, adhesion, proliferation and viability decreased with the content of hydrophilic groups. Nevertheless, copolymers in which hydrophilic and hydrophobic domains alternate showed better results than the corresponding homopolymers. Biostable and biodegradable scaffolds with different hydrophilicity and porosity were synthesised using a template of sintered microspheres of controlled size. This technique allows the interconnectivity between pores and their size to be controlled. Periodic and regular pore architectures and reproducible structures were obtained. The mechanical behaviour of the porous samples was significantly different from that of the bulk material of the same composition. Cells fully colonised the scaffolds when the pores' size and their interconnection were sufficiently large. Another objective was to assess the chondrogenic redifferentiation in a biodegradable 3D scaffold of polycaprolactone (PCL) of human autologous chondrocytes previously expanded in monolayer. This study demonstrated that chondrocytes cultured in PCL scaffolds without fetal bovine serum (FBS) efficiently redifferentiated, expressing a chondrocytic phenotype characterised by their ability to synthesise cartilage-specific ECM proteins. The influence that pore connectivity and hydrophilicity of caprolactone-based scaffolds has on the chondrocyte adhesion to the pore walls, proliferation and composition of the ECM produced was studied. The number of cells inside polycaprolactone scaffolds increased as porosity was increased. A minimum of around 70% porosity was necessary for this scaffold architecture to allow seeding and viability of the cells within. The results suggested that some of the cells inside the scaffold adhered to the pore walls and kept the dedifferentiated phenotype, while others redifferentiated. In conclusion, the findings of this thesis provide valuable insight into the field of cartilage regeneration using TE techniques. The studies carried out shed light on the right composition, porosity and hydrophilicity of the scaffolds to be used for optimal cartilage production.

[ES] El cartílago articular es un tejido compuesto por condrocitos rodeados por una densa matriz extracelular (MEC). La MEC se compone principalmente de colágeno tipo II y de proteoglicanos. La función principal del cartílago articular es proporcionar una superficie lubricada para las articulaciones. Las lesiones en el cartílago articular son comunes y pueden derivar a osteoartritis. El cartílago articular no tiene vasos sanguíneos, nervios o vasos linfáticos y, por tanto, tiene una capacidad limitada de auto-reparación. La ingeniería tisular (IT) es un área prometedora en la regeneración de cartílago. En la IT se utilizan "andamiajes" (scaffolds) tridimensionales (3D) como soportes para el cultivo celular y tisular. Los scaffolds proporcionan una estructura que facilita la adhesión y la expansión de los condrocitos, manteniendo un fenotipo condrocítico limitando su desdiferenciación; que es el mayor problema en los sistemas bidimensionales (2D). La adhesión celular a los scaffolds depende de las características físicas y químicas de su superficie (morfología, rigidez, contenido de agua en equilibrio, tensión superficial, hidrofilicidad, presencia de cargas eléctricas). El objetivo general de esta tesis fue estudiar la influencia de diferentes tipos de biomateriales en la respuesta de los condrocitos en cultivo in vitro. Los scaffolds deben tener una estructura porosa interconectada para permitir el desarrollo celular a través de toda la estructura 3D, potenciando que los condrocitos mantengan su fenotipo, así como permitiendo entrada de nutrientes y eliminación de desechos metabólicos. Se estudió el efecto de la hidrofilicidad y de la arquitectura de poro. Se cuantificó la viabilidad celular, la proliferación y la expresión de agrecano. Cuando los condrocitos humanos se cultivaron en sustratos poliméricos donde los grupos hidrófilos se distribuyeron de manera homogénea, la adhesión, la proliferación y la viabilidad disminuyó con el contenido de grupos hidrófilo. Sin embargo, los copolímeros en los que los dominios hidrófilos e hidrófobos se alternaban mostraron mejores resultados que los homopolímeros correspondientes. Se sintetizaron series de scaffolds bioestables y series biodegradables con diferente hidrofilicidad y porosidad utilizando plantillas de microesferas sinterizadas. Se obtuvieron arquitecturas de poros regulares y reproducibles. Las células colonizaron el scaffold en su totalidad cuando los poros y la interconexión entre ellos era lo suficientemente grande. Se evaluó la rediferenciación condrogénica de condrocitos autólogos humanos, previamente expandidos en monocapa, sembrados en un scaffold biodegradable de policaprolactona (PCL). Se demostró que los condrocitos cultivados en scaffolds de PCL con medio sin suero bovino fetal (FBS), se rediferenciaban de manera eficiente; expresando un fenotipo condrocítico, caracterizado por su capacidad de sintetizar proteínas de la MEC específicas de cartílago hialino. Se estudió la influencia de la hidrofilicidad y la conectividad de los poros de los scaffolds de caprolactona sobre la adhesión de los condrocitos a las paredes de los poros, su capacidad proliferativa y la composición de MEC sintetizada. Se observó que un mínimo de 70% de porosidad era necesario para permitir la siembra de los condrocitos en el scaffold y su posterior viabilidad. El número de células aumentaba a medida que aumentaba la porosidad del scaffold. Los resultados sugieren que parte de las células que se adherían a las paredes internas de los poros mantenían el fenotipo desdiferenciado de condrocitos cultivados en monocapa, mientras que otros se rediferenciaban. En conclusión, los resultados de esta tesis aportan un avance en el campo de la regeneración de cartílago articular utilizando técnicas de IT. Los estudios realizados proporcionan directrices sobre la composición, la porosidad y la hidrofilicidad más adecuada para l

[CA] El cartílag articular és un teixit format per condròcits envoltats per una densa matriu extracel·lular (MEC). La MEC es compon principalment de col·lagen tipus II i de proteoglicans. La funció principal del cartílag articular és proporcionar una superfície lubricada a les articulacions. Les lesions en el cartílag articular són comuns i poden derivar en osteoartritis. El cartílag articular no té vasos sanguinis, nervis ni vasos limfàtics i, per tant, té una capacitat limitada d'auto-reparació. L'enginyeria tissular (IT) és una àrea prometedora en la regeneració del cartílag. A la IT s'utilitzen "bastiments" (scaffolds) tridimensionals (3D) com a suports per al cultiu cel·lular i tissular. Els scaffolds proporcionen una estructura que facilita l'adhesió i l'expansió dels condròcits, mantenint un fenotip condrocític limitant la seua desdiferenciació; que és el major problema en els sistemes bidimensionals (2D). L'adhesió cel·lular als scaffolds depèn de les característiques físiques i químiques de la superfície (morfologia, rigidesa, contingut d'aigua en equilibri, tensió superficial, hidrofilicitat i presència de càrregues elèctriques). L'objectiu general d'aquesta tesi va ser estudiar la influència de diferents tipus de biomaterials en la resposta dels condròcits en cultiu in vitro. Els scaffolds han de tindre una estructura porosa interconnectada per a permetre el desenvolupament cel·lular a través de tota l'estructura 3D, potenciant que els condròcits mantinguen el seu fenotip així com permetent l'entrada de nutrients i l'eliminació de productes metabòlics. S'ha estudiat l'efecte de la hidrofilicitat i de l'arquitectura de porus dels scaffolds. Es va quantificar la viabilitat cel·lular, la proliferació i l'expressió de agrecà. Quan els condròcits humans es van cultivar en substrats polimèrics en els quals els grups hidròfils es van distribuir de manera homogènia, l'adhesió, la proliferació i la viabilitat van disminuir amb el contingut de grups hidròfils. No obstant això, els copolímers en els quals els dominis hidròfils i hidròfobs s'alternaven van mostrar millors resultats que els homopolímers corresponents. Es van sintetitzar sèries de scaffolds bioestables i sèries biodegradables amb diferent hidrofilicitat i porositat utilitzant plantilles de microesferes sinteritzades. Es van obtindre arquitectures de porus regulars i reproduïbles. Les cèl·lules van colonitzar el scaffold en la seua totalitat quan els porus i la interconnexió entre ells era suficientment gran. Es van avaluar la rediferenciació condrogènica de condròcits autòlegs humans, prèviament expandits en monocapa, en un scaffold biodegradable de policaprolactona (PCL). Es va demostrar que els condròcits cultivats en scaffolds de PCL sense sèrum boví fetal (FBS) es rediferenciaven de manera eficient, expressant un fenotip condrocític caracteritzat per la seua capacitat de sintetitzar proteïnes de la MEC específiques de cartílag hialí. També es va estudiar la influència de la hidrofilicitat i la connectivitat dels porus dels scaffolds de caprolactona sobre l'adhesió dels condròcits a les parets dels porus, la seua capacitat proliferativa i la composició de MEC sintetitzada. Es va observar que un mínim del 70% de porositat sembla ser necessari per permetre la sembra dels condròcits i la seua posterior viabilitat en el scaffold. El nombre de cèl·lules augmentava a mesura que augmentava la porositat del scaffold. Els resultats suggereixen que part de les cèl·lules que s'adherien a les parets internes dels porus mantenien el fenotip desdiferenciat de condròcits cultivats en monocapa, mentre que altres es rediferenciaven. En conclusió, els resultats d'aquesta tesi proporcionen informació valuosa en el camp de la regeneració de cartílag utilitzant tècniques d'IT. Els estudis realitzats proporcionen directrius sobre la composició, la porositat i la hidrofilicitat m