La cartilagine articolare immatura è un supporto adeguato per avviare cambiamenti morfologici, strutturali e biomolecolari1 al fine di ottenere una funzione articolare-specifica adulta. Il cambiamento principale è la riorganizzazione delle fibrille di collagene da una che mostra un orientamento parallelo rispetto alla superficie nella cartilagine immatura a una in cui le fibrille più profonde nel tessuto sono perpendicolari nella cartilagine matura. La pseudo-stratificazione della cartilagine adulta è evidente attraverso la riorganizzazione dei condrociti residenti lungo la direzione dell'orientamento delle fibrille di collagene, con le cellule sulla superficie a forma di disco e parallele alla superficie e nelle zone più profonde, le cellule diventano progressivamente più grandi e organizzate in colonne. È noto che la maturazione postnatale si verifica nell'arco di molti mesi e si completa essenzialmente alla fine della pubertà, si pensava che la lunga scala temporale rendesse lo studio di questa importante transizione evolutiva nel migliore dei casi difficile o tecnicamente impossibile da studiare in dettaglio2. Alcuni progressi nella soluzione di questo problema sono stati fatti attraverso la scoperta che il fattore di crescita dei fibroblasti-2 e il fattore di crescita trasformante-β1 insieme sono in grado di indurre importanti cambiamenti fisiologici e morfologici che replicano la maturazione della cartilagine articolare 2,3 (Figura 1). La maturazione in vitro indotta dal fattore di crescita avviene entro tre settimane e non richiede alcun input biomeccanico. Dopo la coltura, l'espressione del collagene di tipo II è significativamente ridotta e il rapporto tra i legami incrociati del collagene trivalente maturo e quello bivalente immaturo aumenta, come si osserva nella cartilagine in maturazione. Inoltre, l'organizzazione della matrice extracellulare e delle fibrille di collagene è più vicina a quella osservata nella cartilagine matura, sebbene questo aspetto della transizione non sia completo. Dal punto di vista biochimico, la composizione della cartilagine trattata con fattore di crescita imita la cartilagine articolareadulta 3.
Il modello utilizzato nell'articolo si basa su un in vitro coltura di espianti di 4 o 6 mm di diametro asportati in condizioni sterili dalla faccia laterale del condilo mediale dell'articolazione metacarpo-falangea da manzi bovini maschi immaturi (7 giorni di età). Un sottile strato di cartilagine calcificata e osso subcondrale è stato mantenuto sull'aspetto basale di ogni espianto. La cartilagine articolare è stata coltivata in un classico terreno privo di siero, il terreno Eagles modificato di Dulbecco (glucosio alto 4,5 g/L), in cui sono stati aggiunti insulina-transferrina-selenio (ITS), 10 mM di tampone HEPES pH 7,4, acido ascorbico e 50 μg/mL di gentamicina. Questo terreno di coltura è integrato con 100 ng/mL di fattore di crescita dei fibroblasti 2 (FGF-2) e 10 ng/mL di fattore di crescita trasformante β1 (TGF-β1) che vengono reintegrati ogni tre giorni con cambi di terreno2. La maturazione altamente accelerata della cartilagine è indotta dalla combinazione di fattori di crescita. Queste modifiche avvengono entro 21 giorni. La stimolazione del fattore di crescita induce inoltre l'apoptosi e il riassorbimento dall'aspetto basale e la proliferazione cellulare nei condrociti superficiali3. La composizione del terreno di coltura è descritta in Tabella 1. Seguendo il modello sviluppato da Khan et al. 20112, gli espianti di cartilagine articolare vengono coltivati con TGF-β1 a una concentrazione di 10 ng/μL e FGF2 a una concentrazione di 100 ng/μL (concentrazioni stock di 10 μg/mL e 100 μg/mL disciolti in soluzione salina tamponata con fosfato/0,1% BSA). Viene utilizzato 1 μL di ciascun fattore di crescita per 1 mL di terreno. DMEM-F12 con L-glutammina e glucosio alto è un terreno artificiale che, una volta integrato con insulina, transferrina e selenio (ITS), acido ascorbico, gentamicina e HEPES fornisce un'integrazione completa del terreno con tutte le esigenze fisiologiche di crescita specifiche per le diverse linee cellulari e colture di espianti. DMEM-F12 è composto da diversi sali inorganici (ad esempio, NaCl, KCl, CaCl2, MgCl2, NaH2PO4), glucosio, aminoacidi (fonti azotate), vitamine, cofattori e acqua. Questi sali forniscono input energetici adeguati per sostenere la sopravvivenza cellulare e la normale crescita in coltura. Gli ioni minerali contribuiscono a mantenere l'osmolarità vicino all'ambiente fisiologico naturale. La concentrazione più elevata di glucosio (4,5 g/L) viene utilizzata poiché i condrociti respirano principalmente attraverso la glicolisi. L'integrazione di terreno F12 viene utilizzata perché offre un numero di fonti di solfato, CuSO4, FeSO4, ZnSO4 e MgSO4 necessario per la sintesi dei glicosaminoglicani solfatati. Come controllato da indicatori colorati (qui rosso fenolo) e CO2/HCO-3 tampone combinato con fosfati, il pH rimane costante ad un valore vicino a 7,4. La principale via respiratoria utilizzata dai condrociti è la glicolisi dove l'acido lattico è il prodotto finale che provoca un aumento del pH, quindi, in assenza di forze biomeccaniche che aiuterebbero a rimuovere l'acido lattico prodotto localmente, HEPES agisce per mantenere un ambiente tamponato per i processi fisiologici. La gentamicina è un antibiotico aminoglicosidico che controlla la contaminazione batterica esterna attraverso l'inibizione della crescita. L'acido ascorbico è usato come complemento medio per la sua azione antiossidante4. L'acido ascorbico è un cofattore per gli enzimi, le prolil idrossilasi, che funzionano per idrossilare i residui di prolina nel collagene stabilizzando la sua struttura a tripla elica. La transferrina di solito funge da antiossidante extracellulare (tossicità e riduzione dei ROS)5,6. Viene anche aggiunto al terreno di coltura per la sua capacità di fornire e facilitare lo stoccaggio e il trasporto extracellulare del ferro in coltura cellulare. La transferrina lega il ferro così strettamente in condizioni fisiologiche che praticamente non esiste ferro libero per catalizzare la produzione di radicali liberi7. La segnalazione dell'ormone insulina dal suo recettore legato aumenta l'assorbimento di diversi elementi come glucosio, aminoacidi. È anche coinvolto in diversi processi come il trasporto intracellulare, la lipogenesi, le sintesi di proteine e acidi nucleici. L'insulina ha un effetto promotore della crescita. Il selenio è presente anche nella soluzione composita "insulina-transferrina-selenio", come selenito di sodio. Viene utilizzato principalmente come cofattore per proteine (seleno-) come la gluthatione perossidasi (GPX), come agente antiossidante supplementare nella coltura. In in vitro condrociti articolari, l'ITS sembra migliorare la proliferazione cellulare e la conservazione del fenotipo inibendo l'espressione genica correlata alla dedifferenziazione cellulare e alla differenziazione ipertrofica8. Fattori di crescita come il fattore di crescita dei fibroblasti-2 e il fattore di crescita trasformante-β1 vengono aggiunti al terreno di coltura. Sono utilizzati per indurre e regolare la differenziazione, la crescita, la guarigione e lo sviluppo cellulare2,3. FGF-2 e TGF-β1 in combinazione promuovono anche potentemente la proliferazione cellulare in cellule e tessuti in coltura9.
Questo modello di maturazione in vitro della cartilagine articolare è utile per tre motivi principali. In primo luogo, la transizione accelerata della fase di sviluppo in questo modello ci permette di studiare i cambiamenti impercettibili che si verificano nell'arco di molti mesi in modelli in vivo, come l'elevata espressione della lislossidasi-L1 durante la maturazione10. In secondo luogo, l'ingegneria tissutale della cartilagine articolare soffre del fatto che viene prodotta una cartilagine con una morfologia e una struttura isotrope che è funzionalmente carente quando viene trapiantata nelle articolazioni per riparare i difetti focali. Capire come indurre cambiamenti maturativi accelererà lo sviluppo di dispositivi impiantabili completamente funzionali. In terzo luogo, e pertinente a questo studio, ci sono condizioni degenerative delle articolazioni come la malattia di Kashin-Beck che si verificano durante l'infanzia che portano a gravi deformità articolari in età adulta. Questa particolare malattia è fortemente associata ad aree geografiche (Cina) con carenze endemiche di selenio e iodio che potenzialmente colpiscono decine di milioni di abitanti 11,12,13. L'esame dei difetti scheletrici nella malattia di Kashin-Beck mostra che si verifica peri-puberale, implicando la perturbazione dei processi di maturazione scheletrica. Pertanto, per comprendere ulteriormente il ruolo del selenio nella cartilagine articolare (AC) è necessario un modello robusto per la crescita e lo sviluppo della cartilagine. Un modello di maturazione indotto da fattori di crescita in vitro fornisce un utile punto di partenza per studi sulla crescita e il metabolismo della cartilagine articolare durante la maturazione in presenza o assenza di ioni selenio 14,15,16. La nostra conoscenza degli effetti della carenza di selenio (Se) su processi biologici complessi e interconnessi rimane molto scarsa. Il problema principale risiede nel fatto che il selenio rimane un elemento da studiare a causa del suo range d'azione ristretto (concentrazione richiesta tra 40 e 400 μg/kg17) e della concentrazione molto bassa in gioco. Il modello di maturazione accelerata che utilizza la cartilagine bovina immatura offre una capacità senza precedenti di osservare i cambiamenti biologici che si verificano durante un'importante fase di sviluppo. La concentrazione di Se negli organismi è strettamente controllata e questo modello è un punto di partenza per sviluppare tecniche di imaging che ne consentano il tracciamento preciso durante la maturazione. Queste tecniche potrebbero quindi essere un potente strumento per studiare strategie per prevenire la degradazione dell'AC e potenzialmente per sviluppare le basi di nuove terapie basate sulla medicina rigenerativa.
La visualizzazione simultanea delle alterazioni dei tessuti molli, della cartilagine e dell'osso è una sfida importante nelle modalità di imaging preclinico convenzionali. Questo sarebbe davvero un aiuto importante per il follow-up della malattia articolare18,19 . Ad esempio, la micro tomografia computerizzata a raggi X convenzionale (μCT) presenta scarse prestazioni per i tessuti molli che ne limitano l'uso alla rappresentazione di difetti ossei, osteofiti e visualizzazione indiretta della cartilagine. La risonanza magnetica (MRI), d'altra parte, è convenzionalmente impiegata per l'imaging dei tessuti molli nonostante la sua scarsa capacità di rendere con precisione i cambiamenti nell'osso (ad esempio, microcalcificazioni) durante le fasi iniziali delle malattie. La capacità di essere sensibili alle ossa e alle cartilagini e di distinguere le cellule costitutive della cartilagine, i condrociti, è di enorme importanza. L'imaging a contrasto di fase (PCI) si basa sulla proprietà che l'indice di rifrazione dei raggi X dei materiali può essere mille volte maggiore dell'indice di assorbimento per gli elementi leggeri. Ciò genera un contrasto più elevato per i tessuti molli rispetto ai metodi convenzionali basati sul solo assorbimento. Pertanto, la PCI è in grado di visualizzare tutti i tessuti che costituiscono l'articolazione con una rappresentazione concomitante sia di tessuti altamente assorbenti (ad esempio, ossa) che di tessuti meno assorbenti (ad esempio, cartilagine fibrosa, legamenti, tendini, menisco e tessuti molli associati (membrane sinoviali e muscoli))18,19,20,21.
Come dimostrato in ref.20, la PCI a raggi X supera le altre modalità di imaging preclinico per la cartilagine. Lo scopo di questo protocollo è quello di dettagliare la procedura e di mostrare alcuni risultati rappresentativi. Lo schema dell'effetto dei fattori di crescita sull'espianto della cartilagine immatura è mostrato nella Figura 1.