Osteogenic differentiation strategies of Dental Pulp Pluripotent-like Stem Cells (DPPSC) for their potential application in Bone Tissue Engineering

Abstract

Actualment, els defectes ossis, ja sigui deguts a traumes o a malalties, afecten a milions de persones a nivell mundial, fet que suposa una demanda constant al sistema sanitari per al reemplaçament o la restitució d’os. En els últims anys, les tècniques de medicina regenerativa i d’enginyeria tissular d’ós que combinen l’ús de biomaterials, cèl·lules i factors de creixement, han esdevingut un recurs terapèutic molt prometedor per al tractament de defectes ossis. Les cèl·lules mare pluripotents poden ser de gran valor en enginyeria tissular degut al seu potencial d’auto-renovació, la seva alta capacitat de proliferació i el seu potencial de diferenciació a la majoria de llinatges cel·lulars del cos. A més, poden servir com a model per a testar l’eficiència dels nous biomaterials ja que necessiten ser guiades pròpiament pel material per a diferenciar-se. Tot i així, encara no s’ha identificat un tipus cel·lular amb característiques pluripotents, controlat genèticament i sense problemes ètics per a ser utilitzat en tècniques d’enginyeria tissular d’os. En estudis previs, el nostre grup ha descrit una nova població de cèl·lules mare amb característiques pluripotents de la polpa dental del tercer molar: les DPPSC (de l’anglès, Dental Pulp Pluripotent-like Stem Cells). Aquestes cèl·lules semblen estar presents fins a edat avançada, tenen una bona estabilitat genètica i mostren característiques pluripotents típiques de cèl·lules mare embrionàries. Fins ara, s’ha demostrat la seva capacitat de diferenciar-se a cèl·lules de teixits de les tres capes embrionàries. A més a més, semblen tenir una major capacitat de diferenciar-se a cèl·lules del teixit ossi que altres poblacions de cèl·lules mare de la polpa dental.

Aquesta tesis doctoral pretén doncs introduir l’ús de les DPPSC com a model cel·lular alternatiu per a tècniques de medicina regenerativa i d’enginyeria tissular d’os. La tesis s’ha dividit en tres parts principals:

Com a primer pas, el procés de diferenciació osteogènica de les DPPSC i les seves habilitats per créixer, adherir-se i diferenciar-se han estat avaluades a partir de diferents tipus de biomaterials tradicionalment utilitzats en estudis de regeneració òssia (metalls o materials d’origen natural). Els resultats mostren un alt potencial de diferenciació osteogènica i d’adhesió de les DPPSC als materials estudiats, així com una alta estabilitat genètica. Proposant en conseqüència l’ús de les DPPSC com a bon model cel·lular per avaluar la biocompatibilitat i la capacitat osteogènica de diferents tipus de biomaterials.

A continuació, diferents estratègies s’han utilitzat per millorar el procés d’osteogènesis a partir de les DPPSC per a la seva potencial aplicació en teràpies d’enginyeria tissular d’os.

Una nova família de polímers ha estat utilitzada com a teràpia gènica no viral per a la millora de la diferenciació osteogènica en DPPSC a partir del silenciament de gens de pluripotència i la sobre-expressió de gens de osteogènesis. Concretament, s’ha utilitzat com a vector la combinació de poli(β-amino ester)s (pBAEs) amb oligopèptids d’origen natural per tal de millorar la seva biocompatibilitat amb les DPPSC i alliberar-ne simultàniament anti-OCT3/4 siRNA, anti-NANOG siRNA i plàsmid RUNX2. Els resultats mostren que les DPPSC poden ser perfectament transfectades amb aquests polímers mantenint la viabilitat cel·lular i l’estabilitat genètica. A més a més, la combinació de silenciar OCT3/4 i potenciar RUNX2 n’accelera la diferenciació osteogènica.

Seguidament, diferents estratègies han estat provades per tal d’induir vascularització en els constructes d’enginyeria tissular a partir de les DPPSC, fet important per a garantir la supervivència dels constructes un cop implantats in vivo i que a l’hora permet millorar la osteogènesis. Resultats previs mostren que les DPPSC tenen un alt potencial endotelial. Per tant, en aquest estudi, s’ha suggerit la combinació de DPPSC pre-diferenciades a teixit ossi amb DPPSC pre-diferenciades a teixit endotelial com a una bona estratègia per induir os vascularitzat a partir d’una única població de cèl·lules mare. Així, diferents sistemes de co-cultius amb DPPSC han estat analitzats. A més a més, per tal d’apropar els resultats a la teràpia clínica, tant les diferenciacions en monocultiu com en co-cultiu de les DPPSC han estat testades en medis lliures de components animals, reemplaçant el sèrum fetal boví per sèrum humà. Per altra banda, l’efecte de vidres bioactius (BaG, de l’anglès Bioactive Glasses), caracteritzats per les seves propietats osteogèniques, també ha estat investigat en monocultius i co-cultius de DPPSC. Els resultats mostren que el medi endotelial condicionat amb extractes de BaG pot promoure tant el potencial osteogènic com l’endotelial de les DPPSC, promovent la formació d’estructures vasculars en els sistemes de co-cultiu. Així, el co-cultiu de DPPSC en combinació amb BaG i en medis lliures d’origen animal proporciona un nou sistema per a la vascularització in vitro de constructes ossis d’enginyeria tissular.

En conclusió, els resultats dels estudis realitzats en aquesta tesis doctoral proposen l’ús de les DPPSC per diferents tècniques d’enginyeria tissular d’os i medicina regenerativa.