Interação células e biomateriais na perspectiva da engenharia de tecidos

Na área de engenharia de tecidos, as células, os biomateriais e os fatores indutores são elementos centrais para a reconstituição funcional de tecidos e órgãos, ou mesmo sua regeneração. Dessa forma o estudo e a caracterização da interação com as células pode orientar o desenvolvimento de biomateriais mais efetivos e seguros para aplicação em engenharia de tecidos. Tradicionalmente, os biomateriais utilizados para as diferentes aplicações em engenharia de tecidos conferiam suporte bidimensional ou tridimensional para crescimento celular, na forma de membranas densas ou porosas, respectivamente. O desenvolvimento de novas tecnologias, como bioimpressão, possibilitou aprimorar a obtenção dos biomateriais.

A interação com biomateriais pode direcionar o comportamento de células. Os estímulos mecânicos que norteiam essa interação são traduzidos em um processo dinâmico de sinalização bioquímica intracelular que resultam em respostas tais como adesão, espalhamento, crescimento, migração, expressão gênica e diferenciação.

No organismo humano, a maioria dos tipos celulares é dependente de adesão, ou seja, interagem com o microambiente por meio de ancoragem e espalhamento. Nos tecidos, o microambiente corresponde, essencialmente, à matriz extracelular (MEC), que fornece ancoragem mecânica e importante sinalização bioquímica às células, de forma dinâmica. Um dos desafios da engenharia de tecidos é recriar a complexidade de estímulos que a MEC transmite às células, possibilitando guiar determinado comportamento celular. Nesse sentido, o desenvolvimento de biomateriais que mimetizam a MEC, e a associação com substâncias indutoras, como fatores de crescimento, visam recriar o microambiente tecido-específico.

A MEC apresenta composição característica dependendo do tipo de tecido, sendo especialmente abundante nos tecidos conjuntivos. Como é uma estrutura bastante dinâmica, pode apresentar alterações resultantes do estado metabólico das células, ocorrência de patologias, ou envelhecimento do organismo. De forma geral, a MEC é composta por elementos fibrilares, como colágeno e fibras elásticas; elementos não fibrilares, como proteoglicanos e glicoproteínas; e microfibrilas (Figura 1).

Uma das formas mais bem caracterizadas de interação das células com a MEC é mediada por adesões focais. Esse processo é intermediado por proteínas presentes na superfície celular, as integrinas, que entram em contato com glicoproteínas adesivas da MEC, como a fibronectina. Dessa interação resulta a reestruturação de elementos do citoesqueleto, modificando a forma celular e resultando em sinalização intracelular específica.

Figura 1. Matriz extracelular como microambiente para as células A. Principais componentes da MEC. (Servier Medical Art, 2023). Fonte: Tanimura EH, Servier Medical Art, 2023

O uso de biomateriais em engenharia de tecidos que induzam o estabelecimento de adesões focais favorece a interação celular e outros eventos tais como espalhamento e diferenciação celular. Para tanto, os biomateriais podem apresentar componentes naturalmente presentes na MEC, como a fibronectina, ou mesmo partes das proteínas adesivas, denominadas epítopos, que atuam nesse processo de adesão focal. A sequência arginina - glicina - ácido aspártico (RGD), derivada da fibronectina, é um dos exemplos mais conhecidos dentre esses epítopos. Essa sequência pode ser obtida de forma sintética e ser incorporada a biomateriais para favorecer a adesão celular. A partir do estabelecimento das adesões focais é iniciada a interação célula-substrato.

As análises de microscopia permitem observar a interação de células e biomateriais, sendo importante ferramenta de estudo, ainda considerando que existe uma correlação direta da forma celular e sua função (Figura 2). Podem ser utilizadas desde as técnicas de microscopia de luz, direta ou invertida, microscopia eletrônica de transmissão e varredura, ou técnicas inovadoras, como a fotolitografia ou a impressão por microcontato.

A microscopia de luz possibilita o estudo da distribuição celular sobre biomateriais e a avaliação de morfologia celular, podendo ser realizadas com contraste de fase ou com corantes. Por fim, a técnica de microscopia eletrônica de varredura possibilita a avaliação morfológica da célula durante a interação desta com o substrato, em imagens de alta resolução. No projeto de Iniciação Científica, a aluna Carolina K Neves realizou avaliação da interação de células Vero com gelatina utilizando microscopia de luz com contraste de fase, microscopia de luz com corante (Figura 2A) e microscopia eletrônica de varredura (Figura 2B) com a finalidade de caracterização biologia do biomaterial para utilização no tratamento de feridas crônicas, como ferramenta de engenharia de tecidos de pele. O biomaterial apresentou resultados negativos para a citotoxicidade e não interferiu no processo de proliferação celular, sendo assim uma alternativa segura para a engenharia de tecidos. Com objetivo semelhante de engenharia de tecidos de pele, será desenvolvido o projeto de Iniciação Científica da aluna Cristiane Araújo Gomes, denominado “Avaliação in vitro de biomaterial obtido a partir de bagaço de uva”.

Figura 2. Interação das células com biomateriais. Estudos da morfologia celular por microscopia de luz (A) ou microscopia eletrônica de varredura (B). Fonte: Neves CK, Lombello CB, 2021

As características superficiais dos biomateriais interferem diretamente na interação com as células, como por exemplo porosidade, rugosidade, cargas de superfície, geometria, molhabilidade, hidrofilicidade, entre outros. A observação das interações que são estabelecidas com diferentes tipos celulares pode direcionar a melhor aplicação clínica desses biomateriais, em geral, biomateriais porosos, com poros interconectados e hidrofílicos favorecem a adesão de células.

O colágeno é um polímero natural, presente na MEC de diferentes tecidos, e que tem sido amplamente explorado como biomaterial na construção de arcabouços (ou scaffolds) para aplicação em diferentes áreas de engenharia de tecidos e medicina regenerativa, com o objetivo de reconstituição biológica da função ou composição desses tecidos, por exemplo pele, tecido ósseo e cardíaco.

A abordagem clínica baseada na engenharia de tecidos para a indução do processo regenerativo da pele envolve a utilização de biomateriais e biomoléculas associadas, para a condução da cicatrização de ferimentos. Biomateriais à base de colágeno tipo I são explorados para essa finalidade devido às suas propriedades como a biocompatibilidade, favorecimento de adesão, espalhamento e diferenciação celular.

A possibilidade de incorporação ao colágeno de fatores de crescimento, que estimulam a migração de células do tipo fibroblasto e a diferenciação destas, proporcionando a reestruturação da matriz e a contração da lesão, reduzindo o tempo de cicatrização e favorecendo a reestruturação dos tecidos acometidos.

Células obtidas a partir da pele de doadores, semeadas sobre biomateriais a base de colágeno, constitui o primeiro arcabouço regulamentado para engenharia de tecido de pele, denominado IntegraTM (Life Sciences). O uso de células humanas, inclusive células-tronco, tem sido explorado para a engenharia de tecidos.

O projeto de mestrado em Engenharia Biomédica (PPGEBM UFABC) da aluna Jackeline Sumie Katayose, em colaboração com aluna egressa desse grupo de pesquisa, Debora C Ferraraz, intitulado “Diferenciação condrogênica de células-tronco obtidas a partir de polpa de dente”, possibilitou a cultura e caracterização dessas células-tronco para interação combiomaterial de gelatina. As células mesenquimais da polpa dentária mostraram seu potencial proliferativo após 48 horas de plaqueamento, bom padrão de adesão celular e estabilidade cromossômica, estando em fase de avaliação da interação celular com biomaterial de gelatina visando sua utilização na engenharia de tecido condral (Figura 3A, 3B).

Figura 3: Proliferação de células tronco mesenquimais da polpa dentária em 72 horas, obedecendo a um dos critérios da International Society for Cell Therapy (ISCT) para caracterização celular, com contraste de fase (A), e azul de toluidina (B). Análise do cariótipo celular (C). Fonte: Sumie JK, Ferraraz DC, Lombello CB, 2022

Quando se trata de engenharia de tecido ósseo, existem algumas opções de biomateriais disponíveis comercialmente que mimetizam a estrutura óssea inorgânica. Um exemplo é a hidroxiapatita de cálcio Ca10(PO4) 6(OH)2, ou outros sais de fosfato de cálcio, com características osteocondutoras e bioativas, direcionando a formação de tecido ósseo.

Esses biomateriais podem ser associados ao colágeno, principal componente orgânico da matriz óssea, resultando em arcabouço com propriedades biomiméticas utilizados para a regeneração de lesões ósseas, como substitutos ósseos. Auxiliando o processo de regeneração tecidual, implantes metálicos são utilizados com a finalidade de estabilizar áreas de perda óssea, possibilitando a restauração do tecido. O projeto da aluna Andressa Francine Martins, no mestrado em Engenharia Biomédica (PPGEBM UFABC), em colaboração, visa caracterizar a interação de células com titânio grau 2 nanoestruturado, desenvolvido pelo Prof Anibal Mendes (UFABC), colaborador desse projeto. Dessa forma será possível propor a segurança de uso do titânio nanoestruturado na fabricação de dispositivos médicos.

A engenharia de tecidos cardíacos explora o uso de técnicas e biomateriais com potencial de desenvolver estruturas funcionais para substituição ou reparo de partes danificadas do coração. O coração é constituído predominantemente por músculo estriado cardíaco, um tecido altamente especializado, porém com capacidade de regeneração limitada. Sendo assim, uma abordagem para regeneração e reparo do tecido cardíaco é a construção de arcabouços projetados para oferecer um ambiente adequado para o crescimento, diferenciação e funcionamento das células, devido suas propriedades mecânicas e físicas capazes de suportar as forças mecânicas envolvidas na contração e expansão do coração. O projeto da aluna Emily Hajdu Tanimura, “Avaliação in vitro de biomaterial de celulose com potencial de uso em tecido cardíaco”, visa explorar essa área de pesquisa.

Em qualquer uma das áreas de engenharia de tecidos mencionada, a caracterização morfológica da interação de células com os arcabouços é uma etapa fundamental da avaliação de resposta biológica do organismo. Os estudos nesta área podem resultar em um grande avanço para a engenharia de tecidos, medicina regenerativa e a biofabricação de órgãos artificiais.

No curso de Engenharia Biomédica da UFABC, o grupo de pesquisa em Engenharia de Tecidos e Biomoléculas, sob coordenação da Profa Christiane Bertachini Lombello, atua na avaliação biológica de biomateriais e engenharia de tecidos. O grupo faz colaboração com Professoras da Instituição de diferentes áreas do conhecimento, conta com a participação da Profa Mônica Helena do Nascimento, e tem a atuação expressiva de jovens pesquisadoras.

Quer saber mais sobre a interação de células e biomateriais em engenharia de tecidos?

• Sanz-Herrera JA, Reina-Romo E (2022) Cell-biomaterial mechanical interaction in the framework of tissue engineering: insights, computational modeling and perspectives. Int J Mol Sci. 2011;12(11):8217-44
• Du J, Katti D, Thomas V (2022) Interactions between Biomaterials and biological tissues and cells, Part I. JOM 74,3334–3335

Autoras

Christiane Bertachini Lombello
Professora Doutora vinculada ao Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas (CECS) da Universidade Federal do ABC Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo.

Mônica Helena Monteiro do Nascimento
Professora Doutora vinculada ao Centro de Engenharia, Modelagem e Ciências Sociais Aplicadas (CECS) da Universidade Federal do ABC Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa do JavaScript ativado para vê-lo. 

Carolina Kafka Neves
UFABC/Graduação em Engenharia Biomédica;

Emily Hajdu Tanimura
UFABC/Graduação em Engenharia Biomédica;

Cristiane Araujo Gomes
UFABC/Engenharia Biomédica;

Jackeline Sumie Katayose
UFABC/Pós-Graduação em Engenharia Biomédica;

Debora Carajiliascov Ferraraz
UFABC/Doutora em Biotecnociência pela UFABC