Biofabricação de um modelo de pele diabética com bioimpressão 3D

A diabetes do tipo 2 pode ser caracterizada pela insuficiência na produção de insulina ou pela incapacidade do organismo de utilizar a insulina produzida de forma eficaz, resultando em níveis anormais de açúcar no sangue. Segundo a federação internacional de diabetes, o Brasil ocupa o 4º lugar no ranking de países com maior número de pessoas com diabetes entre 20-79 anos (dados de 2017).

Indivíduos acometidos pela diabetes possuem maior predisposição a doenças de pele, tais como dermopatia diabética, bolha diabética, erupção cutânea diabética, infecções fúngicas e coceira na pele. A instabilidade do quadro de diabetes, como por exemplo a manutenção de altos níveis de glicose no sangue (hiperglicemia), pode favorecer a má circulação sanguínea.

A redução da circulação sanguínea pode ter consequências graves, como prejudicar o reparo tecidual, atrasando ou impedindo a regeneração do tecido injuriado. Devido a esse atraso, os indivíduos diabéticos com a pele danificada, por exemplo, podem desenvolver úlceras associadas a um alto risco de infecção.

Estima-se que 14-24% dos pacientes com essas úlceras acabam necessitando de intervenção por amputação e que 85% dessas úlceras acomentem a planta do pé, conhecida por úlcera do pé diabético.

Diante deste contexto, um grupo de cientistas da Pohang University of Science & Technology desenvolveu um modelo de pele humana doente com as propriedades de diabetes do tipo 2, através da bioimpressão 3D das principais camadas da pele: Epiderme, derme, hipoderme e vasos sanguíneos (Figura 1).

Fig 1) (A) Imagem representativa mostrando úlcera de pé diabético causada por cicatrização retardada em pacientes diabéticos. (B) Bioimpressora 3D. (C) Modelagem da epiderme diabética por meio da interação intercelular entre fibroblastos dérmicos humanos diabéticos e queratinócitos epidérmicos humanos normais e um modelo de pele ferida com reepitelização retardada. (D) Similaridade estrutural aumentada e características diabéticas por meio da adição de compartimento hipodérmico perfusável e vascularizado para melhor recapitular as funções fisiopatológicas do diabetes. [Retirado de Kim et al., 2021]

A estratégia para mimetizar a pele humana diabética consistiu em bioimprimir uma camada dérmica composta de fibroblastos diabéticos (não saudáveis) em conjunto com uma camada epidérmica contendo queratinócitos (células da pele) não diabéticos (normais). Os autores escolheram essa abordagem uma vez que queratinócitos de pacientes com diabetes são difíceis de manter in vitro. Logo, eles hipotetizaram que a bioimpressão de fibroblastos diabéticos com queratinócitos saudáveis poderia favorecer a diferenciação desses queratinócitos para um perfil diabético à medida que o construído bioimpresso fosse maturando (Figura 1).

Além da epiderme e derme, os autores também adicionaram ao construído a camada hipodérmica, contendo pré-adipócitos humanos diabéticos, e um canal vascular perfusável sob a camada dérmica, similando a vasculatura (Fig 2)

Fig 2) Fotografias do processo de fabricação do compartimento hipodérmico perfusável e vascularizado em modelo de pele. (i) Vista superior do transwell PCL com câmaras para impressão de pele. (ii) Vista lateral do transwell PCL com orifício para fixação de microagulha de aço inoxidável. (iii) Compartimento hipodérmico vascularizado e perfusável apenas impresso. (iv) Compartimento hipodérmico vascularizado e perfusável montado em agarose. (v) Compartimento hipodérmico vascularizado e perfusável com agarose de baixo ponto de fusão. (vi) Confirmação da perfusão por injeção de tinta vermelha de fenol nas câmaras das quais a agarose foi removida. Barras de escala, 5 mm. [Retirado de Kim et al., 2021]

Análises estruturais, moleculares e de funcionalidade foram realizadas no modelo de pele humana diabética bioimpressa. O construído apresentou estruturas similares a epiderme, derme e hipoderme. Houve a produção dos principais marcadores moleculares da diabetes. A fim de testar a capacidade de regeneração do modelo de pele diabética, uma pequena ferida física com 2 mm de espessura foi feita no construído (Fig 3).

Fig 3) Modelo de pele de ferida projetada por meio de impressão de células 3D. [Retirado de Kim et al., 2021]

Observou-se uma lenta reepitelização, uma característica típica da pele diabética. Além disso, quando a camada de tecido adiposo diabético contendo vasos sanguíneos foi adicionada, foram confirmadas a resistência à insulina, hipertrofia dos adipócitos, resposta pró-inflamatória e disfunção vascular. Eventos estes comumente observados na diabetes

Para demonstrar as aplicações potenciais da pele diabética em estudos dermatológicos e para testes de fármacos, os autores aplicaram medicamentos de teste (metformina ou ácido eicosapentaenóico) no canal vascular por 3 dias. Foi visto que a capacidade de restauração funcional da epiderme e a redução da resposta inflamatória foram alcançadas, mimetizando a realidade.

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Referências

KIM, Byoung Soo; AHN, Minjun; CHO, Won-Woo; GAO, Ge; JANG, Jinah; CHO, Dong-Woo. Engineering of diseased human skin equivalent using 3D cell printing for representing pathophysiological hallmarks of type 2 diabetes in vitro. Biomaterials, [S.L.], v. 272, p. 120776, maio 2021. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/j.biomaterials.2021.120776.

STUMVOLL, Michael; GOLDSTEIN, Barry J; VAN HAEFTEN, Timon W. Type 2 diabetes: principles of pathogenesis and therapy. The Lancet, [S.L.], v. 365, n. 9467, p. 1333-1346, abr. 2005. Elsevier BV. http://dx.doi.org/10.1016/s0140-6736(05)61032-x.