Estratégias para promover a regeneração do tendão usando terapias celulares

Tese de Doutoramento em BioengenhariaTendon injuries constitute a major healthcare burden due to the poor healing ability of tendons. Tendon repair frequently requires surgical intervention for the application of tissue grafts, but clinical outcomes are still unsatisfactory. Alternatively, tendon tissue engineering strategies aim at (1) developing fibrous biomaterials to support cell alignment and adequate function and (2) inducing tenogenic differentiation of non-tendon stem cells through physical and/or biochemical cues. In this thesis, different strategies were explored towards enhancing cellular responses in tendon tissue engineering therapies. Firstly, novel multicomponent hydrogel fibers were developed through the combination of polyelectrolyte complexation and microfluidics in Chapter IV, enabling the generation of hydrogels with a fibrillar-like architecture resembling the microstructure of fibrous tissues, including tendons. In Chapter V, the concept of composite fibers was explored to create a multicompartmentalized structure composed of a mechanically robust core and a hydrogel layer to provide a hydrated microenvironment, supporting the viability and phenotype maintenance of human tendon-derived cells (hTDCs). Alternatively, patch-like biomaterials can be used in specific applications. Thus, platelet lysate (PL) patches were studied in Chapter VI as depots for human-derived therapeutic factors, exhibiting antibacterial activity and directing hTDCs towards a regenerative-like phenotype. Additionally, tendon cell-based therapies can benefit from the application of mechanical forces. In Chapter VII, the influence of simulated hypergravity on hTDCs was studied and an overall tendency for the up-regulation of tendon-related markers was found under the influence of this stimulus. Finally, the role of human adipose derived stem cells (hASCs) as a nontendon stem cell source in potentially directing tendon regeneration was investigated in vitro. Different co-culture systems were established using (i) an indirect model with hASCs and tendon explants (Chapter VIII) and (ii) a direct model using hASCs and hTDCs (Chapter IX). Such co-culture systems were demonstrated to constitute attractive platforms for studying the bi-directional crosstalk in tendon regeneration. Overall, the work developed under this thesis allowed developing different biomaterial structures that have shown to support the behavior of native tendon cells and showed that hASCs are a promising cell source for accelerating tendon regeneration. These cell-biomaterial systems are expected to boost the regenerative process, which can be further enhanced with adequate combinations of physical stimuli and cellular interactions.As lesões dos tendões constituem um grave problema para o sistema de saúde, dada a limitada capacidade regenerativa destes tecidos. A reparação do tendão implica, frequentemente, intervenções cirúrgicas para a aplicação de enxertos, obtendo-se resultados clínicos pouco satisfatórios. Alternativamente, as estratégias de engenharia de tecidos de tendão têm como objetivos (1) o desenvolvimento de biomateriais fibrosos que permitam o alinhamento e a função celular e (2) a indução da diferenciação tenogénica de células estaminais não derivadas de tendão através de sinais físicos e/ou bioquímicos. Nesta tese, diversas estratégias foram exploradas visando melhorar as respostas celulares em terapias de engenharia de tecidos de tendão. Primeiramente, desenvolveram-se fibras de hidrogéis multicomponentes através da complexação de polieletrólitos e microfluídica, no Capítulo IV, obtendo-se hidrogéis com uma estrutura tipo fibrilar semelhante à de tecidos fibrosos, incluindo tendões. No Capítulo V, explorou-se o conceito de fibras compósitas para criação de estruturas multi-compartimentadas, com um centro mecanicamente robusto e uma camada de hidrogel que providencia um micro-ambiente hidratado, mantendo a viabilidade e o fenótipo de células derivadas de tendão (hTDCs). Em alternativa, biomateriais tipo penso podem ser usados. Assim, no Capítulo VI, estudaram-se membranas de lisado de plaquetas (PL) como fonte de fatores terapêuticos de origem humana que exibiram atividade antimicrobiana e guiaram as hTDCs para um fenótipo pró-regenerativo. No Capítulo VII, investigou-se o efeito de hipergravidade simulada nas hTDCs, com um aumento da expressão de marcadores de tendão. Finalmente, o papel das células estaminais do tecido adiposo (hASCs), como fonte de células estaminais não derivadas de tendão, em coordenar a regeneração de tendão foi investigada in vitro. Diferentes sistemas de coculturas foram estabelecidos usando (i) um modelo indireto com hASCs e explantes de tendão (Capítulo VIII) e (ii) um modelo direto com hASCs e hTDCs (Capítulo IX). Estes sistemas de co-culturas constituem interessantes plataformas para o estudo da comunicação bi-direcional na regeneração de tendão. Em conclusão, no âmbito desta tese, diferentes estruturas foram obtidas com sucesso para suportar a biologia das células nativas de tendão e demonstrou-se que as hASCs são uma interessante fonte de células para acelerar o processo regenerativo. Espera-se que estes sistemas células-biomaterial acelerem o processo regenerativo, que pode ainda ser melhorado através de combinações adequadas de estímulos físicos e interações celulares