Problemas clínicos - Protectrauma | DISTRIBUCIÓN DE...
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REPARACIÓN INTERVERTEBRAL DEL DISCO: Marta Tibiletti, Nevenka Kregar- Velinkonja, Jill Urban, Jeremy Fairbank Problemas clínicos
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REPARACIÓN
INTERVERTEBRAL DEL DISCO:
Marta Tibiletti, Nevenka Kregar-
Velinkonja, Jill Urban, Jeremy Fairbank
Problemas clínicos
Estimular las
células para
reparar la
matriz mediante
terapia génica o
por inyección
del factor de
crecimiento
EXISTE UN CRECIENTE INTERÉS EN LA REPARACIÓN BIOLÓGICA DE LOS
DISCOS DEGENERADOS, LA RESTAURACION DE LA ORGANIZACIÓN DE
LA MATRIZ Y EL COMPORTAMIENTO BIOMECÁNICO.
Células del núcleo o MSCs ?
• Insertar nuevas células o construcciones de
ingeniería tisular para la repoblación del disco y
la regeneración de la matriz.
• Inyectar factores de crecimiento o utilizar
terapias génicas para estimular las células
residentes con el fin de producir más matriz.
• Inyectar inhibidores para prevenir la
degeneración.
• Trasplante de discos ex vivo
• Para todas las reparaciones biológicas, en el
anillo o en el núcleo, ya sea por implantación
de células o mediante la inyección de factores
de crecimiento u otras moléculas.
• Es esencial que las células del disco
permanezcan vivas y funcionando
adecuadamente para el éxito de cualquier
estrategia de reparación o regeneración
¿Qué necesitan las células del disco para permanecer
vivas y activas?
• Un suministro de nutrientes adecuado
• Glucosa de > 0,5 mM
• Oxigeno en >2%
• La eliminación de residuos - principalmente ácido
láctico, el cual acidifica la matriz
• ph Extracelular de > pH 6,8
• Un entorno adecuado: osmótico, bioquímico, físico,
matriz extracelular
Los discos son grandes y avasculares por lo que el suministro
de nutrientes es un problema.
Las células en el centro del disco se encuentran hasta a 8
mm del suministro de sangre más cercano.
- Los nutrientes y metabolitos son
suministrados y eliminados por el suministro
de sangre a los márgenes del disco y llegan a
las células por difusión a través de la matriz.
- El transporte de solutos pequeños (glucosa
etc) se hace mediante difusión; los gradientes
de nutrientes son el resultado de un equilibrio
entre las tasas de actividad celular y el
transporte a las células.
1
0.75
0.5
0.25
0
0.25 0.5 0.75
Conce
ntra
ción R
ela
tiva
Oxigeno Glucosa Acido Láctico
placa final
placa final
1
y
Centro del discobajo O2
bajo nivel de
glucosa
bajo pH
x y
0
x
Las concentraciones en el centro
del disco deben permanecer
por encima de lo crucial para
que las células puedan
permanecen viables
• Suministra la sangre a
los márgenes del discos
• Ruta de transporte de
los capilares al disco
• Transporte a través de la
matriz (por difusión de
solutos pequeños)
• Distancia
• Difusividad
Densidad celular
Tasa de metabolismo / celular
• Tipo de célula
• Edad
• Especie
• Factores de crecimiento
• Citoquinas
• Estrés mecánico
• Niveles de
nutrientes/metabolitos.
etc.
LA CONCENTRACIÓN DE NUTRIENTES Y METABOLITOS DEPENDEN
DEL EQUILIBRIO ENTRE LA OFERTA Y LA DEMANDA
Abastecimiento Demanda
Hueso
Disco
Plato subchondral
Vasos capilares
DETALLES DEL DISCO, EN LA UNIÓN DE LA PLACA TERMINAL ,
LA RUTA PRINCIPAL DE SUMINISTRO DE NUTRIENTES PARA EL
DISCO.
Benneker et al, Spine, 2005
EN LOS DISCOS DEGENERADOS, LA CALCIFICACIÓN
DE LA PLACA TERMINAL DE LOS CARTÍLAGOS Y EL
TRANSPORTE DE NUTRIENTES HACIA EL DISCO SE
VEN OBSTACULIZADOS.
En la degeneración discal: El transporte de nutriente se deteriora
Desciende la densidad celular
En los discos degenerados, Se disminuye el suministro de nutrientes
La pérdida de de nutrientes a través del cuerpo vertebral podría matar
por inanición las células centrales del disco, lo cual puede ser el factor
principal de la degeneración discal.
Si las células nativas han
muerto debido a la falta de
suministro de nutrientes,
podrían sobrevivir las células
que se implanten?
LA DENSIDAD CELULAR Y LA ALTURA DEL DISCO, TAMBIÉN REGULAN LAS
CONCENTRACIONES DEL CENTRO DEL DISCO
• a partir del aumento de la densidad celular
• a partir del aumento de la altura del disco
x 1000 cells/mm3x 1000 cells/mm3
Disco de2mm Disco de 6mm
• En discos de 2 mm - los niveles de glucosa pueden apoyar a
<30 millones de células /ml
• En discos de 6 mm - los niveles de glucosa puede apoyar
solamente a 7,5 millones de células/ml
Los nutrientes se difunden a través de extremos abiertos
Superficie acristalada y superficies inferiores
Cámara llena de células embebidas en gel de agarosa Las células muertas presentan
fluorescencia roja (de etidio-homodímero)
Separadores
Horner et al, 2001
Las células viables son de fluorescencia verde (calceína-AM)
Vista esquemática de cámara de difusión
a) Células vivas cerca de la fuente de nutrientes
b) Células vivas y muertas en el borde de la zona viable
C) células muertas en el
centro de la cámara de difusión
CÉLULAS VIVAS Y MUERTAS EN LA CÁMARA DE DIFUSIÓN
0
20
40
60
80
100
0 255 10 15 20
Distance across the slice (mm)
%via
ble
cells
6 días de incubación
0
20
40
60
80
100
0 255 10 15 20
Distance across the slice (mm)
%via
ble
cells
11 días de incubación
0
20
40
60
80
100
0 255 10 15 20
Distance across the slice (mm)
%via
ble
cells
2millones de células/ml
16 millones de células /ml
Efecto de la densidad celular y el tiempo en los perfiles de viabilidad celular
3 días de incubación
4 millones de células/ml
8 millones de células / ml
Effect of cell density on viablediffusion
distance:
Measured and Calculated(calculated from 'cell density =279500d-0.88' (Stairmand et al, 1991))
18gs 16/l lc 14eno 12i l )m
e 10liu
( sy i 8st tin 6sed 4lle 2C
0
0 5 10 15 20
Viable distance (mm)
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0 205 10 15
Distancia viable (mm)
La
de
nsid
ad
ce
lula
r (m
illones d
e c
élu
las/g
de
tejid
o)
(calculado a partir de 'la densidad celular = 279500d-0,88 =279500d-0.88'
(Stairmand et al, 1991)
EFECTO DE LA DENSIDAD CELULAR EN LA DISTANCIA DE
DIFUSIÓN VIABLE: CALCULADO Y MEDIDO IN VITRO
From Holm and Nachemson, 1983
Ratón gato conejo rata cerdo perro humano
Altura del disco - mm
LA ALTURA DEL ESPACIO RIGE LA DENSIDAD
CELULAR DEBIDO A LAS LIMITACIONES
NUTRICIONALES
800008000080000
60000
40000
20000
0
Baja
densidad
celular en
un núcleo
humano
normal
Dens
idad
celu
lar
¿QUÉ SIGNIFICA ESTO CON RELACIÓN A LA
REPARACIÓN DEL DISCO?
Para aumentar la tasa de producción de la matriz se
requiere una mayor cantidad de células.
la altura del disco, es decir, la distancia de difusión y la
permeabilidad de la placa terminal, limitan la densidad
celular máxima que puede ser soportada.
Disco humano, altura del
disco 10-16mm
<0.1% volumen de tejido
= células
DISCO PERTENECIENTE A
UN PERRO, LA ALTURA
DEL DISCO ES DE 3 MM,
LA TAZA DE MATRIZ, CUYA MATRIZ PUEDA SER FIJADA
ESTÁ REGULADA POR LA DENSIDAD CELULAR QUE PUEDA
SER SOPORTADA.
Se puede reparar el disco?
Diversas pruebas en modelos
animales sugieren sí se que puede.
1 año
control 1 semana
12 semana
REPARACIÓN 'DEl DISCO DE UN MONO DESPUÉS DE UNA INYECCIÓN
DE QUIMOPAPAÍNA
K Takahashi et al, Spine 1982
Control simulado 3 meses
12 Meses 26 Meses
Corte en el anillo
El anillo exterior muestra la reparación después de 2 años
REPARACIÓN DEL ANILLO DISCAL DE UNA OVEJA (DESPUÉS DEL CORTE)
• La degeneración del disco aguda
• Animales jóvenes y sanos
• Suministro de nutrientes ?
• Los discos pequeños, pueden soportar
una alta densidad celular
• Incluso en este caso, la reparación es muy
lenta,puede tomar años
• El éxito en los animales no significa que
se obtendrá un éxito similar en los
humanos.
ESTUDIO EN ANIMALES
La implantación celular o la estimulación de células
residentes parece ser una forma relativamente simple y
no invasiva para revertir la degeneración del disco, así
como para restaurar la función.
Este procedimiento funciona bien en el disco de
animales jóvenes, los cuales presentan una forma de
degeneración aguda inducida.
Debemos ser realistas acerca de lo que es posible
realizar en el disco humano. Incluso aquellos que son
relativamente normales, siendo menos optimistas con
aquellos que tienen algún grado de degeneración y, por
ende, insuficiencia de nutrientes.
¿Cuales reparaciones biológicas son nuestros
objetivos?
• La densidad celular es muy baja
• La densidad celular es aún menor en el
centro del disco degenerado, debido a la
deficiencia de nutrientes.
• La velocidad a la que las pocas células
que pueden ser soportadas pueden
reparar la matriz es muy lenta, puede
tomar años
• ¿Que hará el paciente durante este
proceso?
PUEDEN EL REEMPLAZO CELULAR Y LOS FACTORES DE
CRECIMIENTO REGENERAR EL DISCO LUMBAR HUMANO?
RECONOCIMIENTOS
Prof A Maroudas Prof
A Nachemson Dr Sten
Holm
• Prof A Shirazi-Adl
• Dahbia Mokhbe-
Soukane
• Prof J Fairbank
• Prof P Winlove
• Prof S Roberts
• Dr Bob Lee
• Dr O Boubriak
• Dr T Grunhagen
• Dr S Bibby
• Dr S Razaq
• Dr S Zhou
Agradecemos a la Arthritis Research UK, MRC, BBSRC y al proyecto
Genodisc de la UE por su apoyo.
