Leziunile muschilor scheletici datorate traumatismului sau ablatiei tumorale necesita de obicei o procedura reconstructiva pentru a restabili functia normala a tesuturilor. In SUA, anual, sunt supusi, peste 4.5 milioane de pacienti, inverventiilor chirugicale de reconstructie. In multe dintre cazuri defectul muscular extins are ca rezultat deformarea fizica severa. Standardul de ingrijire este un lambou autolog al pediculului muscular din regiunile adiacente; cu toate acestea, disponibilitatea tesutului muscular gazda si morbiditatea locului donatorului pot face aceasta strategie dificila. Progresele recente in terapia celulara ofera alternative pentru regenerarea tesutului muscular pentru augmentarea functionala. Injectarea de celule cultivate a demonstrat o anumita eficacitate; cu toate acestea, aceasta abordare poate fi nerealista pentru tratarea defectului muscular datorat gravarii celulelor si supravietuirii celulelor injectate. Prin urmare, bioingineria constructiei musculare implantabile care poate restabili functia musculara normala este posibila.
In ultimele decenii, cercetatorii s-au concentrat pe imitarea ultrastructurii tesutului muscular nativ care este compus din miofibre foarte orientate. Organizarea structurala a muschilor scheletici cu mai multe pachete de miofibra este vitala pentru contractia si functionalitatea muschilor. Controlul organizarii in vitro a tesutului muscular bioinginerat sa fie esential pentru refacerea functionala a tesutului dupa implantarea in vivo. Astfel capacitatea de a recapitula organizarea si functia muschiului scheletic nativ este cel mai important element al tesuturilor musculare scheletice bioinginerate. Pentru a construi organizarea musculara utilizand alinierea celulelor unice in constructiile musculare scheletice bioinginerate in vitro, au fost raportate mai multe incercari. Datorita progresului recent in tehnologiile de microfabricat, orientarea celulelor musculare a fost controlata prin indicii microtopografici. Stimularea mecanica si campurile electrice, au fost de asemenea testate pentru a alinia celulele musculare in schelele biomateriale. Aceste strategii ar putea pre-alinia celulele musculare si imbunatati functionalitatea lor in vitro; cu toate acestea au permis constructii de tesut la scara micronica sau de pachete de muschi cu un singur strat care ar putea sa nu fie adecvate pentru tratarea defectelor musculare extinse.
Progresele recente in tehnologia de bioprint 3D permit bioinginerilor diverse constructii functionale de tesuturi cu geometrie complexa prin constructia de hidrogeluri incarcate cu celule strat cu strat. A fost dezvoltata o metoda de bioprintare, un sistem integrat de printarea a tesuturilor organelor (ITOP) care poate genera o forma libera 3D cu mai multe tipuri de celule si biomaterie, astfel fiind posibila fabricarea diverselor arhitecturi de tesuturi la scara umana pentru aplicatii translationale. Sistemul ITOP a fost folosit pentru a se crea o constructie musculara organizata de 15x5x1 mm cubi care contine mioblast de soarece, compusa din fibre musculare pre-aliniate in pachete de miofibre multistrat. Rezultatele au arata ca structurile musculare organizate bioprintate se pot matura in muschi functionali in vivo cand sunt implantate subcutanat la sobolani.
Pe baza acestui succes initial, a fost investigata fezabilitatea utilizarii unor constructii musculare bioprintate 3D pentru tratarea defectelor extinse ale muschilor scheletici (scara mm cub – cm cub) cu integritatea structurala si organizarea tesutului muscular. De asemenea, celulele progenitoare musculare (MPC) utilizate in acest studiu au fost izolate din biopsiile tesutului muscular uman pentru relevanta clinica suplimentara. Au fost efectuate evaluari ale caracteristicior musculare in vitro. Regenerarea tesutului muscular si recuperarea functionala au fost evaluate utilizand un model de defecte musculare la rozatoare de 30-40% din pierderea musculara a tibialului anterior cu ablatia muschiului extensor digitorium ongus si extensor hallucis longus pentru a determina fezabilitatea tratamentului leziunilor musculare critice.
Rezultate
Constructii musculare bioprintate 3D cu mimetism structural in vitro
O constructie de muschi secheletici bioinginerata cu o organizare ultrastructurata similara cu muschiul nativ a fost proiectata si fabricata cu tehnologia ITOP.
Aceasta constructie musculara consta in trei componente: o celula progenitoare a muschilor umani, un bioink hidrogel gelatinic celular sacrificeal si un polimer poli (ε-caprolactonic) (PCL). Pentru a crea organizarea celulara in structura musculara scheletica imprimata, mai multe benzi de bioink-uri incarcate cu celule au fost modelate in paralel una cu alta, apoi au fost ancorate la structura pilonului PCL. Grosimea constructiilor tiparite a fost determinata si controlata de numarul de straturi de distribuire a bioink-urilor incarcate cu celule. O structura de PCL tiparita a permis alinierea celulelor tiparite longitudinal ca raspuns la indicii mecanici si mentinere a integritatii structurale a structurilor musculare multistrat dupa imprimare. Pentru a mentine viabilitatea celulelor printate in structuri musculare la scara larga (pana la 15x15x15 mm cubi), au fost create microcanale intre modelele incarcate de celule pe baza limitei de difuzie a oxigenului si a nutrientilor ~200 µm.
Constructiile tiparite au fost cultivate timp de 1 zi in mediu de crestere si apoi a fost indusa diferentierea timp de 9 zile in mediul de diferentiere. In analiza vie/moarta, constructiile musculare bioprintate aveau pachete multiple de miofibra foarte organizate in care hMPC-urile erau aliniate longitudinal de-a lungul directiei tiparului tiparit. S-au observat, de asemenea, microcanale intre fasciculele de miofibre. Maturarea muschiului bioprintat a fost confirmata prin imunocolorarea cu lant greu de miozina.
Bioingineria unei constructii musculare implantabile cu caracteristici structurale si functionale ale muschilor scheletici nativi este esentiala in chirurgia reconstructiva. Exista mai multe stratategii avansate pentru a construii muschii scheletici prin bioinginerii cu orientare celulara.
Desi acest studiu a demonstrat fezabilitatea utilizand construcii musculare bioprintate 3D care contin celule musculare primare umane, au ramas cateva provocari pentru viitor. Deoarece tehnologia de bioprintare a muschilor scheletici a fost testata pe animal imunocompromis, urmeaza sa fie investigate raspunsurile gazdei, inclusiv raspunsul antiinflamator si reactia corpului strain, in procesul de regenerare. De asemenea este necesar sa se examineze efectele sistemice al celulelor implantate.
Pe scurt a fost proiectata si fabricata posibilitatea de constructie musculara scheletica implantabila si biometrica pe baza bioprintarii 3D pentru regenerarea musculara functionala. Muschii scheletici bioprintati 3D prezinta o posibilitate de tratare a leziunilor musculare. Suntem pe drumul cel bun iar tehnologia avanseaza.
