Vascularização & Engenharia tecidual

Já imaginou a possibilidade de criar tecidos humanos personalizados para tratamentos regenerativos? A Bioimpressão 3D está avançando rapidamente nessa direção, mas um dos maiores desafios ainda persiste: Como garantir que esses tecidos sobrevivam e funcionem adequadamente no corpo após a implantação?

Geração de sistemas vasculares fora do corpo para mimetizar os processos dinâmicos de angiogênese e vasculogênese. [qureator.com]

Um dos desafios está na vascularização, a formação de vasos sanguíneos capazes de nutrir as células. Sem essa rede de vasos, os tecidos correm o risco de falhar devido à falta de oxigênio e nutrientes. Neste artigo, vamos explorar algumas soluções que a ciência está desenvolvendo para enfrentar esse desafio essencial, mostrando como a Bioimpressão 3D pode transformar os tratamentos de saúde em um futuro próximo. Se você trabalha na área da saúde e/ou está buscando entender as novas fronteiras da medicina regenerativa, continue lendo!

Um dos principais desafios enfrentados por pesquisadores ao desenvolver enxertos em engenharia tecidual é a criação de uma rede vascular que garanta a sobrevivência celular em todas as camadas do tecido. O oxigênio, que é essencial para a respiração celular, é fornecido por difusão passiva, criando um gradiente que diminui da periferia para o núcleo do tecido. Esta limitação física foi primeiramente estudada por August Krogh, em 1919, que determinou que o transporte eficiente de oxigênio em tecidos avasculares é limitado a aproximadamente 100–200 μm.

Considerar o tamanho mínimo viável para que a difusão de nutrientes e saída de metabólicos sejam eficiente é essencial para a viabilidade do tecido a ser formado [Fonte: Terasaki institute]

A falta de vascularização adequada impõe um limite ao tamanho das construções teciduais que podem ser criadas em laboratório. Isso se deve ao fato de que a angiogênese mediada pelo hospedeiro é um processo relativamente lento, levando entre 1 a 2 semanas para vascularizar completamente uma construção de tecido de 3 mm após a implantação. Durante esse período, as células no interior da construção sofrem de hipóxia, o que pode resultar em morte celular e falha do enxerto.

As células no núcleo de um enxerto mal vascularizado estão particularmente sujeitas a condições de hipóxia, onde a privação de oxigênio induz uma série de vias de estresse celular. Sob essas condições, as células ativam a respiração anaeróbica, que, no entanto, não é suficiente para atender às demandas metabólicas em longo prazo, resultando em apoptose.

Embora estratégias para aumentar a tensão local de oxigênio, como a hiperóxia, possam ser usadas, estas também apresentam riscos. A hiperóxia pode induzir a produção de espécies reativas de oxigênio, o que pode danificar as células e comprometer a viabilidade do enxerto, tanto in vivo quanto in vitro.

Abordagens de pré-vascularização in vivo na engenharia tecidual: (a) A principal dificuldade em depender do crescimento angiogênico fisiológico em enxertos não pré-vascularizados é a falta de vascularização adequada e oportuna, o que leva à necrose celular no centro do enxerto. (b) Uma abordagem para lidar com esse problema é estimular a resposta angiogênica natural dentro do enxerto, seja carregando o enxerto com fatores pró-angiogênicos ou modificando geneticamente as células para aumentar a secreção desses fatores. (c) A técnica de "flap" envolve a pré-implantação do enxerto em tecido muscular para criar uma rede vascular antes da implantação final, embora cause danos ao tecido no local da pré-implantação. (d) Uma técnica aprimorada é o "loop" arteriovenoso (AV), que segue o mesmo princípio, mas pode ser realizado em qualquer local, sem danificar o local da pré-implantação. [Fonte:Rademakers et al., 2019]

A vascularização é necessária não apenas para fornecer oxigênio e nutrientes, mas também para remover produtos metabólicos e toxinas, mantendo a homeostase celular. Na engenharia de tecidos, diversas abordagens têm sido desenvolvidas para induzir ou melhorar a vascularização de enxertos.

As estratégias biológicas incluem a pré-vascularização in vitro, onde as células endoteliais são cultivadas junto a células teciduais específicas em scaffolds tridimensionais, permitindo a formação de redes vasculares antes da implantação. Esses sistemas coculturais já demonstraram ser capazes de formar estruturas capilares com morfologia semelhante à dos tecidos humanos.

Adicionalmente, técnicas de biofabricação estão sendo amplamente exploradas para solucionar a limitação do tamanho do tecido sem vascularização adequada. O uso de biotintas contendo células endoteliais, por exemplo, permite a construção de estruturas tridimensionais com capacidade vascular intrínseca, acelerando a perfusão do enxerto pós-implantação e evitando períodos prolongados de hipóxia.

Bioimpressão 3D & Vascularização

A tecnologia de bioimpressão 3D tem se mostrado uma solução promissora no desenvolvimento de enxertos com potencial de vascularização. Ao utilizar camadas precisas de biomateriais e células, é possível criar arquiteturas teciduais complexas que imitam as condições naturais dos tecidos do corpo. Além disso, a bioimpressão permite a deposição de células vasculares, como células endoteliais, em combinação com biotintas projetadas especificamente para promover a angiogênese.

rocesso e a função dos tecidos vasculares bioimpressos, com foco na avaliação e aplicação em diferentes níveis: celular, tecidual e orgânico. A bioimpressão utiliza biotintas para criar redes vasculares, cuja funcionalidade é testada por meio de indicadores como viabilidade celular, marcadores específicos (α-SMA, CD31), força mecânica, permeabilidade e anastomoses vasculares. Essas avaliações são realizadas em diferentes contextos, incluindo testes com modelos animais e dispositivos organ-on-a-chip, que permitem a simulação de ambientes vasculares controlados para estudo da performance dos tecidos bioimpressos. [Fonte: Jiang et al., 2023]

Uma inovação importante nessa área é a tecnologia FRESH (Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels), utilizada no curso de Bioimpressão 3D na Saúde da BioEdTech. Essa técnica permite a criação de modelos teciduais em um banho de suporte de hidrogéis biocompatíveis, garantindo que as estruturas bioimpressas mantenham sua integridade durante o processo de fabricação.

Além disso, a combinação dessa técnica com o uso de fatores de crescimento angiogênicos, como o VEGF (Fator de Crescimento Endotelial Vascular), potencializa a formação de novos vasos e melhora a perfusão dos tecidos bioimpressos.

A integração entre bioimpressão 3D e sistemas microfluídicos também oferece uma solução técnica valiosa, especialmente quando associada ao uso de organ-on-a-chip, sistemas que mimetizam microambientes fisiológicos de tecidos e permitem o controle dinâmico das condições experimentais. Ao combinar bioimpressão 3D com essas tecnologias, é possível criar enxertos com redes vasculares funcionais desde o início, superando o principal obstáculo da hipóxia tecidual.

Scaffolds & Biomateriais

Método FRESH Bioprinting, na foto, um coração humano em miniatura sendo bioimpresso durante o nosso curso de bioimpressão 3D na saúde [Fonte:Bioedtech]

A escolha do scaffold é um fator crucial no sucesso da vascularização de enxertos bioimpressos. Biomateriais, como polímeros sintéticos e naturais, são usados como suporte estrutural para o crescimento celular e podem ser projetados para controlar a liberação de fatores de crescimento e regular a resposta celular. A adição de moléculas bioativas à matriz extracelular dos scaffolds melhora a adesão, proliferação e diferenciação celular, facilitando a angiogênese e o desenvolvimento de uma rede vascular funcional.

No contexto da bioimpressão, a fabricação de scaffolds por métodos como a eletrofiação oferece vantagens adicionais, como a criação de topografias que incentivam o alinhamento celular e a deposição de proteínas da matriz extracelular, essenciais para a construção de vasos sanguíneos.

Os avanços em bioimpressão 3D estão abrindo novas possibilidades no campo da medicina regenerativa e engenharia tecidual, particularmente na superação do desafio da vascularização. A combinação de técnicas como FRESH bioprinting, o uso de scaffolds avançados e a liberação controlada de fatores de crescimento são elementos chave para garantir a criação de enxertos teciduais bem-sucedidos.

Se você quer saber mais sobre técnicas de vascularização, formação de novos tecidos e análises de viabilidade celular, o curso de Bioimpressão 3D na Saúde da BioEdTech proporciona uma imersão completa nesses tópicos, preparando os profissionais para aplicarem essas tecnologias em um contexto clínico e de pesquisa.

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Referências:

• Rademakers, T., Horvath, J. M., van Blitterswijk, C. A., & LaPointe, V. L. S. (2019). Oxygen and nutrient delivery in tissue engineering: Approaches to graft vascularization. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine, 13(10), 1815-1829. https://doi.org/10.1002/term.2932

  
  

• Krogh, A. (1919). The supply of oxygen to the tissues and the regulation of the capillary circulation. The Journal of Physiology, 52(6), 457-474. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1919.sp001839

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