Criação de uma articulação do joelho em um chip para modelagem de doenças articulares e testes de medicamentos

Meagan J. Makarcyzk; Zhong Alan Li; Ilhan Yu; Haruyo Yagi; Xiurui Zhang; Lauren Yocum; Eileen Li; Madalyn R. Fritch; Qi Gao; Bruce A. Bunnell; Stuart B. Goodman; Rocky S. Tuan; Peter G. Alexander; Hang Lin

doi:10.3791/64186

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Artigo de método

Criação de uma articulação do joelho em um chip para modelagem de doenças articulares e testes de medicamentos

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DOI:

10.3791/64186

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27 de janeiro de 2023

Meagan J. Makarcyzk¹^,² , Zhong Alan Li¹^,³ , Ilhan Yu¹ , Haruyo Yagi¹ , Xiurui Zhang¹ , Lauren Yocum¹ , Eileen Li¹ , Madalyn R. Fritch¹ , Qi Gao⁴ , Bruce A. Bunnell⁵ , Stuart B. Goodman⁴^,⁶ , Rocky S. Tuan¹^,⁸ , Peter G. Alexander¹^,⁷ , Hang Lin¹^,²^,⁷

¹Department of Orthopaedic Surgery, University of Pittsburgh School of Medicine, ²Department of Bioengineering, University of Pittsburgh Swanson School of Engineering, ³Department of Neurobiology, University of Pittsburgh School of Medicine, ⁴Department of Orthopaedic Surgery, Stanford University, ⁵Department of Microbiology, Immunology, and Genetics, University of North Texas Health Science Center, ⁶Department of Bioengineering, Stanford University, ⁷McGowan Institute for Regenerative Medicine, University of Pittsburgh School of Medicine, ⁸The Chinese University of Hong Kong

Neste artigo

Resumo

Fornecemos métodos detalhados para gerar quatro tipos de tecidos a partir de células-tronco mesenquimais humanas, que são usadas para recapitular a cartilagem, osso, coxim gorduroso e sinóvia na articulação do joelho humano. Esses quatro tecidos são integrados em um biorreator personalizado e conectados através de microfluídica, gerando assim uma articulação do joelho em um chip.

Resumo

A alta prevalência de doenças articulares debilitantes como a osteoartrite (OA) representa um alto ônus socioeconômico. Atualmente, as drogas disponíveis que têm como alvo as desordens articulares são, em sua maioria, paliativas. A necessidade não atendida de drogas modificadoras de doença (DMOADs) eficazes tem sido causada principalmente pela ausência de modelos apropriados para estudar os mecanismos da doença e testar potenciais DMOADs. Neste trabalho, descrevemos o estabelecimento de um sistema microfisiológico mini-sinovial que mimetiza a articulação sinovial (miniJoint) composto por componentes do tecido adiposo, fibroso e osteocondral derivados de células-tronco mesenquimais humanas (CTMs). Para a obtenção dos microtecidos tridimensionais (3D), as CTMs foram encapsuladas em gelatina metacrilada fotoreticulável antes ou após a diferenciação. As construções de tecido carregadas de células foram então integradas em um biorreator impresso em 3D, formando a miniJoint. Fluxos separados de meios osteogênicos, fibrogênicos e adipogênicos foram introduzidos para manter os respectivos fenótipos teciduais. Um fluxo comumente compartilhado foi perfundido através da cartilagem, sinovial e tecido adiposo para permitir o crosstalk tecidual. Este padrão de fluxo permite a indução de perturbações em um ou mais dos componentes teciduais para estudos mecanísticos. Além disso, potenciais DMOADs podem ser testados através de "administração sistêmica" através de todos os fluxos de meio ou "administração intra-articular" adicionando os medicamentos apenas ao fluxo compartilhado de simulador de "líquido sinovial". Assim, o miniJoint pode servir como uma plataforma in vitro versátil para estudar eficientemente os mecanismos de doenças e testar drogas em medicina personalizada.

Introdução

Doenças articulares como a osteoartrite (OA) são altamente prevalentes e debilitantes e representam uma das principais causas de incapacidade em todo o^mundo1. Estima-se que, somente nos EUA, a OA afete 27 milhões de pacientes e ocorra em 12,1% dos adultos com 60 anos ou^mais2. Infelizmente, a maioria dos medicamentos atualmente utilizados para o manejo de doenças articulares é paliativa, e não há drogas modificadoras de doença (DMOADs) eficazes^3. Essa necessidade médica não atendida decorre principalmente da ausência de um modelo eficaz para estudar os mecanismos da doença e desenvolver potenciais ....