Avaliação in vitro e in vivo dos efeitos da proteína óssea morfogenética tipo 2 recombinante (rhBMP-2) e de células-tronco derivadas do tecido adiposo humano na osteogênese

Abstract

Dentre os vários fatores de crescimento que têm sido relatados na literatura para tratamento de defeitos ósseos, as proteínas ósseas morfogenéticas (BMPs) têm atraído bastante interesse, em decorrência de sua capacidade osteoindutora. As células-tronco derivadas do tecido adiposo (ASCs) também vêm se destacando na regeneração tecidual e na modulação da resposta inflamatória pelo seu efeito parácrino. O objetivo deste trabalho foi avaliar in vitro e in vivo os efeitos da BMP-2 e de ASCs na osteogênese. Os experimentos se dividiram em 4 etapas, sendo: (1) avaliação do efeito da proteína óssea morfogenética recombinante humana do tipo 2 (rhBMP-2), da BMP-4 e da BMP-7 na diferenciação osteogênica de ASCs suplementadas com arcorbato e ?-glicerofosfato; (2) comparação do efeito do ácido retinóico (AR), da rhBMP-2 e da rhBMP-2+AR na diferenciação osteogênica de ASCs; (3) avaliação do efeito da implantação de ASCs incorporadas em arcabouços de poli(ácido láctico-co-glicólico) (PLGA) na inflamação causada por rhBMP-2 no tecido muscular de cães; e (4) avaliação do efeito de ASCs incorporadas em arcabouços autógenos de plasma rico em plaquetas (PRP) na regeneração óssea na tíbia de cães. Os resultados confirmaram as caracterísitcas de células-tronco mesenquimais das ASCs, através da imunofenotipagem e da diferenciação adipogência e osteogênica. Em relação à etapa 1, as ASCs expressaram BMP-4 e BMP-7 endógenas, a suplementação do meio osteogênico com rhBMP-2 não aumentou a atividade de ALP, a expressão do mRNA da osteonectina e osteocalcina, e a deposição de cálcio. No que diz respeito à etapa 2, a rhBMP-2 promoveu maior expressão de Smad 1 e BMP-7 (dia 7), maior expressão relativa do mRNA do receptor de BMP do tipo II (BMPR-II) e do mRNA da osteocalcina (dia 21). Por sua vez, o AR exibiu as maiores atividades de ALP (dias 7, 14, 21 e 28), maior expressão relativa do mRNA do receptor de BMP do tipo II (RBMP-II) (dia 14), do mRNA da Smad 1 (dia 21) e do mRNA da osteonectina (dias 14, 21 e 28). A associação rhBMP-2+AR promoveu os maiores níveis de cálcio na matriz extra-celular (dias 12 e 32), a expressão da Smad 4 considerável (dias 21 e 28), expressão da Smad 1/ 5/ 8 fosforilada similar ao MC3T3-E1 (controle positivo) (dias 7, 14, 21 e 28), maior expressão relativa do mRNA da Smad 1, mRNA da osteocalcina e mRNA da osteonectina (dias 14, 7 e 7, respectivamente). Em relação à etapa 3, a agregação da rhBMP-2 aos arcabouços foi de aproximadamente 78, 74 e 61% para 1, 2,5 e 5 µg de rhBMP-2.mL-1, respectivamente. A liberação acumulada da rhBMP-2, em 21 dias, foi de aproximadamente 90, 64 e 64% para 1, 2,5 e 5 µg de rhBMP-2.mL-1, respectivamente. Os arcabouços de PLGA foram quase que totalmente degradados em 6 semanas de pós-operatório. As ASCs foram capazes de modular a resposta inflamatória causada por baixa dose de rhBMP-2 (2,5?g) no tecido muscular de cães, diminuindo o número de focos inflamatórios, células gigantes e aumentando a neovascularização. Os resultados da etapa 4 mostraram que PRP+ASCs apresentou menor quantidade de tecido de granulação e promoveu maior quantidade (osso primário e secundário) e maturação (osso secundário) de tecido ósseo neoformado nos defeitos ósseos, comparado com osso autógeno e PRP, isoladamente. Resumidamente, pode-se concluir que a suplementação da rhBMP-2 ao meio osteogênico não melhorou a osteogênese das ASCs; a associação de rhBMP-2+AR se mostrou mais eficiente na osteodiferenciação das ASCs, comparado com rhBMP-2 ou AR isoladamente; as ASCs reduziram o processo inflamatório e aumentaram a neovascularização nos sítios musculares que receberam baixa dose de rhBMP-2; e as ASCs associadas com PRP apresentaram menor quantidade de tecido de granulação e promoveram maior quantidade e maturação de tecido ósseo neoformado nos defeitos ósseos, comparado com osso autógeno e PRP.<br)

Abstract : Recombinant human bone morphogenetic protein type 2 (rhBMP-2) is a potent osteogenic growth factor, which has been used for treatment of bone defects in maxillofacial, oral, orthopedic, and spine surgeries. The adipose-derived stem cells (ASCs) have been draun attention in tissue regeneration and modulation of inflamatory disease because of their paracrine effect. This study evaluated the in vitro and in vivo effects of rhBMP-2 and ASCs in osteogenesis. The experiments were divided into 4 parts: (1) evaluated the effect of recombinant human bone morphogenetic protein type 2 (rhBMP-2), BMP-4, and BMP-7 in osteogenic differentiation of ASCs suplemented with arcorbate and â- glycerophosphate; (2) compared the effect of retinoic acid (RA), rhBMP-2, and rhBMP-2+AR in osteogenic differentiation of ASCs; (3) evaluated the effect of the implantation of ASCs incorporated into scaffolds of poly lactic-co-glycolic (PLGA) in canine muscular tissue; and (4) evaluated the effect of ASCs incorporated into scaffolds of platelet-rich plasm (PRP) in bone regeneration in canine tibia. The results confirmed the mesenchymal stem cells characteristics of ASCs. According to part 1, ASCs expressed endogenous BMP-4 and BMP-7. The supplementation of osteogenic medium with rhBMP-2 did not increase ALP activity, mRNA expression of osteonectin and osteocalcin, and the calcium deposition. According to the results of part 2, rhBMP-2 promoted the highest expression of Smad1 and BMP-7 (day 7), the highest relative expression of BMP receptor type II (BMPR-II) mRNA and osteocalcin mRNA (day 21). RA exhibited the highest phosphatase alkaline activity (ALP) (days 7, 14, 21 and 28), highest expression of BMPR-II mRNA (day 14), Smad 1 mRNA (day 21) and osteonectin mRNA (days 14, 21, and 28). The association rhBMP-2+RA promoted the highest levels of calcium in extracellular matrix (days 12 and 32), a considerable expression of Smad 4 (days 21 and 28), expression of phosphorylated Smad 1/ 5/ 8 similar to MC3T3-E1 (positive control) (days 7, 14, 21, and 28), the highest expression of Smad 1 mRNA, osteocalcin mRNA, and osteonectin mRNA (days 14, 7, and 7, respectivamente). According to part 3, the rhBMP-2 loading into the scaffolds was approximately 78, 74, and 61% for 1, 2.5, and 5 ìg of rhBMP-2.mL-1, respectively. Cumulative rhBMP-2 release was approximately 90, 64, and 64% for 1, 2.5, and 5 ìg of rhBMP-2.mL-1, respectively, at day 21. PLGA scaffolds were almost completely degradated at 6 weeks postoperative. ASCs modulated inflammatory response induced by low dose of rhBMP-2 (2.5ìg) in muscle sites, decreasing the number of inflammatory foci, giant cells, and neovascularization. The results of part 4 showed that PRP+ASCs promoted the fewest formation of granulation tissue, the highest amount of bone neoformation (primary and secondary bone), and the highest level of bone maturation in bone deffects, compared to autogenous bone and PRP, alone. In summary, supplementation of osteogenic medium with rhBMP-2 did not improve the osteogenic differentiation of ASCs; the assotiation rhBMP-2+RA was more efficient on osteodifferentiation process compared to rhBMP-2 or RA alone; ASCs modulated the inflammatory process and increased neovascularization in muscle sites with low dose of rhBMP-2; the assotiation ASCs+PRP promoted the lowest number of granulation tissue and increased the amount of bone neoformation (primary and secondary bone) and maturation in bone deffects, compared to autogenous bone and PRP, alone.