Implantación de andamio de matriz de colágeno tridimensional como estrategia de regeneración hepática
Summary
Las enfermedades hepáticas son inducidas por muchas causas que promueven la fibrosis o la cirrosis. El trasplante es la única opción para recuperar la salud. Sin embargo, dada la escasez de órganos trasplantables, se deben explorar alternativas. Nuestra investigación propone la implantación de andamios de colágeno en tejido hepático a partir de un modelo animal.
Abstract
Las enfermedades hepáticas son la principal causa de muerte en todo el mundo. El consumo excesivo de alcohol, una dieta alta en grasas y la infección por el virus de la hepatitis C promueven la fibrosis, la cirrosis y / o el carcinoma hepatocelular. El trasplante de hígado es el procedimiento clínicamente recomendado para mejorar y extender la vida útil de los pacientes en etapas avanzadas de la enfermedad. Sin embargo, solo el 10% de los trasplantes son exitosos, con disponibilidad de órganos, procedimientos prequirúrgicos y posquirúrgicos, y costos elevados directamente correlacionados con ese resultado. Los andamios de matriz extracelular (ECM) han surgido como una alternativa para la restauración de tejidos. La biocompatibilidad y la aceptación del injerto son las principales características beneficiosas de esos biomateriales. Aunque la capacidad de restaurar el tamaño y la función correcta del hígado se ha evaluado en modelos de hepatectomía hepática, no se ha evaluado el uso de andamios o algún tipo de soporte para reemplazar el volumen de la masa hepática extirpada.
La hepatectomía parcial se realizó en un hígado de rata con la xenoimplantación de un andamio de matriz de colágeno (CMS) de un cóndilo bovino. Se extirpó tejido del lóbulo hepático izquierdo (aproximadamente el 40%), y se implantó quirúrgicamente una proporción igual de CMS. Las pruebas de función hepática se evaluaron antes y después del procedimiento quirúrgico. Después de los días 3, 14 y 21, los animales fueron sacrificados y se realizaron evaluaciones macroscópicas e histológicas. En los días 3 y 14, se observó tejido adiposo alrededor del CMS, sin evidencia clínica de rechazo o infección, al igual que neoformación de vasos y reabsorción de CMS en el día 21. Hubo evidencia histológica de un proceso de inflamación insignificante y migración de células adyacentes al CMS, observado con la hematoxilina y la eosina (H&E) y la tinción tricrómica de Masson. Se demostró que el CMS funciona bien en el tejido hepático y podría ser una alternativa útil para estudiar la regeneración y reparación de tejidos en enfermedades hepáticas crónicas.
Introduction
El hígado es uno de los órganos más importantes implicados en el mantenimiento de la homeostasis y la producción de proteínas1. Desafortunadamente, la enfermedad hepática es la principal causa de muerte en todo el mundo. En etapas avanzadas de daño hepático, que incluyen cirrosis y carcinoma hepatocelular, el trasplante de hígado es el procedimiento clínicamente recomendado. Sin embargo, debido a la escasez de donantes y la baja tasa de trasplantes exitosos, se han desarrollado nuevas técnicas en ingeniería de tejidos (TE) y medicina regenerativa (RM)2,3.
La TE implica el uso de células madre, andamios y factores de crecimiento4 para promover la restauración de órganos y tejidos inflamados, fibróticos y edematosos1,5,6. Los biomateriales utilizados en los andamios imitan la ECM nativa, proporcionando las señales físicas, químicas y biológicas para la remodelación celular guiada7. El colágeno es una de las proteínas más abundantes obtenidas de la dermis, tendón, intestino y pericardio8,9. Además, el colágeno se puede obtener como biopolímero para producir andamios bidimensionales y tridimensionales mediante bioimpresión o electropinning10,11. Este grupo es el primero en reportar el uso de colágeno de una fuente ósea para la regeneración del tejido hepático. Otro estudio reporta el uso de andamios sintetizados a partir de colágeno bovino, que se obtuvo a partir de la piel, con poros homogéneos y estrechamente situados, sin ninguna comunicación entre ellos12.
La descelularización preserva la ECM nativa, permitiendo la posterior incorporación de células con potencial de células madre13,14. Sin embargo, este procedimiento aún se encuentra en fase experimental en el hígado, corazón, riñón, intestino delgado y vejiga urinaria de ratones, ratas, conejos, cerdos, ovejas, bovinos y equinos3,14. Actualmente, el volumen de masa hepática resecada no se reemplaza en ninguno de los modelos de hepatectomía animal. Sin embargo, el uso de soporte adicional o red (biomateriales) que permite la proliferación celular y la angiogénesis podría ser esencial para la pronta restauración de las funciones del parénquima hepático. Por lo tanto, los andamios podrían emplearse como enfoques alternativos para regenerar o reparar tejidos en enfermedades hepáticas crónicas, a su vez, eliminando las limitaciones debidas a la donación y las complicaciones clínicas del trasplante hepático.
Protocol
Representative Results
Discussion
El trasplante de órganos es el pilar del tratamiento en pacientes con fibrosis hepática o cirrosis. Algunos pacientes se benefician de este procedimiento, por lo que es necesario proporcionar alternativas terapéuticas para los pacientes en lista de espera. La ingeniería de tejidos es una estrategia prometedora que emplea andamios y células con potencial regenerativo2,4,13. La extirpación de una porción del hígado es un p…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer al personal del Centro de Animales de Laboratorio de la Unidad de Medicina Experimental, a la enfermera Carolina Baños G. por el apoyo técnico y quirúrgico, a Marco E. Gudiño Z. por el apoyo en microfotografías y a Erick Apo por el apoyo en histología hepática. El Consejo Nacional apoyó esta investigación para la Ciencia y la Tecnología(CONACyT),número de subvención SALUD-2016-272579 y el PAPIIT-UNAM TA200515.
Materials
| Anionic detergent | Alconox | Z273228 | |
| Biopsy cassettes | Leica | 3802453 | |
| Camera DMX | Nikon | DXM1200F | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5424 | |
| Chlorhexidine gluconate 4% | BD | 372412 | |
| Cover glasses 25 mm x 40 mm | Corning | 2980-224 | |
| Eosin | Sigma-Aldrich | 200-M | CAS 17372-87-1 |
| Ethyl alcohol, pure | Sigma-Aldrich | 459836 | CAS 64-17-5 |
| Flunixine meglumide | MSD | Q-0273-035 | |
| Glass slides 75 mm x 25 mm | Corning | 101081022 | |
| Hematoxylin | Merck | H9627 | CAS 571-28-2 |
| Hydrochloric acid 37% | Merck | 339253 | CAS 7647-01-0 |
| Ketamine | Pisa agropecuaria | Q-7833-028 | |
| Light microscopy | Nikon | Microphoto-FXA | |
| Microtainer yellow cape | Beckton Dickinson | 365967 | |
| Microtome | Leica | RM2125 | |
| Model animal: Wistar rats | Universidad Nacional Autónoma de México | ||
| Nylon 3-0 (Dermalon) | Covidien | 1750-41 | |
| Polypropylene 7-0 | Atramat | SE867/2-60 | |
| Povidone-iodine10% cutaneous solution | Diafra SA de CV | 1.37E+86 | |
| Scaning electronic microscopy | Zeiss | DSM-950 | |
| Sodium hydroxide, pellets | J. T. Baker | 3722-01 | CAS 1310-73-2 |
| Software ACT-1 | Nikon | Ver 2.70 | |
| Stereoscopy macroscopy | Leica | EZ4Stereo 8X-35X | |
| Sterrad 100S | Johnson and Johnson | 99970 | |
| Surgipath paraplast | Leica | 39601006 | |
| Synringe of 1 mL with needle (27G x 13 mm) | SensiMedical | LAN-078-077 | |
| Tissue Processor (Histokinette) | Leica | TP1020 | |
| Tissue-Tek TEC 5 (Tissue embedder) | Sakura Finetek USA | 5229 | |
| Trichrome stain kit | Sigma-Aldrich | HT15 | |
| Unicell DxC600 Analyzer | Beckman Coulter | BC 200-10 | |
| Xylazine | Pisa agropecuaria | Q-7833-099 | |
| Xylene | Sigma-Aldrich | 534056 | CAS 1330-20-7 |
References
- Li, N., Hua, J. Immune cells in liver regeneration. Oncotarget. 8 (2), 3628-3639 (2017).
- Langer, R., Vacanti, J. Tissue Engineering. Science. 260 (5110), 920-926 (1993).
- Lee, H., et al. Development of liver decellularized extracellular matrix bioink for three-dimensional cell printing-based liver tissue engineering. Biomacromolecules. 18 (4), 1229-1237 (2017).
- Shafiee, A., Atla, A. Tissue engineering: Toward a new era of medicine. Annual Review of Medicine. 68, 29-40 (2017).
- Hu, C., Zhao, L., Wu, Z., Li, L. Transplantation of mesenchymal stem cells and their derivatives effectively promotes liver regeneration to attenuate acetaminophen-induced liver injury. Stem Cell Research & Therapy. 11 (1), 88 (2020).
- Sancho-Bru, P. Therapeutic possibilities of stem cells in the treatment of liver diseases. Gastroenterologia y Hepatologia. 34 (10), 701-710 (2011).
- Kobolak, J., Dinnyes, A., Memic, A., Khademhosseini, A., Mobasheri, A. Mesenchymal stem cells: Identification, phenotypic characterization, biological properties and potential for regenerative medicine through biomaterial micro-engineering of their niche. Methods. 99, 62-68 (2016).
- Freedman, B. R., Mooney, D. J. Biomaterials to mimic and heal connective tissues. Advanced Materials. 31 (19), 1806695 (2019).
- Meyer, M. Processing of collagen based biomaterials and the resulting materials properties. Biomedical Engineering Online. 18 (1), 24 (2019).
- El Baz, H., et al. Transplant of hepatocytes, undifferentiated mesenchymal stem cells, and in vitro hepatocyte-differentiated mesenchymal stem cells in a chronic lver failure experimental model: a comparative study. Experimental and Clinical Transplantation. 16 (1), 81-89 (2018).
- Nedjari, S., Awaja, F., Guarino, R., Gugutkov, D., Altankov, G. Establishing multiple osteogenic differentiation pathways of mesenchymal stem cells through different scaffold configurations. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 14 (10), 1428-1437 (2020).
- Chan, E. C., et al. Three dimensional collagen scaffold promotes intrinsic vascularisation for tissue engineering applications. PLoS One. 11 (2), 0149799 (2016).
- Arenas-Herrera, J. E., Ko, I. K., Atala, A., Yoo, J. J. Decellularization for whole organ bioengineering. Biomedical Materials. 8 (1), 014106 (2013).
- Parmaksiz, M., Dogan, A., Odabas, S., Elçin, A. E., Elçin, Y. M. Clinical applications of decellularized extracellular matrices for tissue engineering and regenerative medicine. Biomedical Materials. 11 (2), 022003 (2016).
- Gacek, G. Stereo microscope, neglected tool. Postepy Biochemii. 63 (1), 68-73 (2017).
- Oldham, S., Rivera, C., Boland, M. L., Trevaskis, J. L. Incorporation of a survivable liver biopsy procedure in mice to assess non-alcoholic steatohepatitis (NASH) resolution. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (146), e59130 (2019).
- The University of Texas at Austin Institutional Animal Care and Use Committee. . Guidelines for the Use of Chemical Depilatory Agents on Laboratory Animals. , (2021).
- Sivridis, L., Kotini, A., Anninos, P. The process of learning in neural net models with Poisson and Gauss connectivities. Neural Networks. 21 (1), 28-35 (2008).
- León-Mancilla, B. H., Araiza-Téllez, M. A., Flores-Flores, J. O., Piña-Barba, M. C. Physico-chemical characterization of collagen scaffolds for tissue engineering. Journal of Applied Research and Technology. 14 (1), 77-85 (2016).
- León, A., et al. Hematological and biochemical parameters in Sprague Dawley laboratory rats breed in CENPALAB, Cenp:SPRD. Revista Electronica de Veterinaria. 12, 1-10 (2011).
- Tsuchiya, A., et al. Mesenchymal stem cell therapies for liver cirrhosis: MSCs as “conducting cells” for improvement of liver fibrosis and regeneration. Inflammation and Regeneration. 39, 18 (2019).
- Badylak, S. F. The extracellular matrix as a biologic scaffold material. Biomaterials. 28, 3587-3593 (2007).
- Acevedo, G. C. Xenoimplante de colágena en uretra de perro. Universidad Nacional Autónoma de México. , (2011).
- Montalvo-Jave, E. E., et al. Absorbable bioprosthesis for the treatment of bile duct injury in an experimental model. International Journal of Surgery. 20, 163-169 (2015).
