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A cartilagem é essencial para preservar a competência mecânica do sistema esquelético, fornecendo uma superfície sem atrito entre os ossos nas articulações diartródicas, prevenindo assim a erosão da superfíciearticular 1. A capacidade da cartilagem de realizar essas funções mecânicas exigentes depende fortemente da composição e organização únicas de sua matriz extracelular — particularmente seu teor excepcionalmente alto de água. A água desempenha um papel crucial na estrutura e função da cartilagem articular, representando aproximadamente 70-80% de sua composição. A água é o principal elemento responsável pela carga durante a compressão. A capacidade do tecido de resistir às forças compressivas depende de como a água é estruturada e restringida dentro da matriz. Essa organização é possível pela interação da água com as principais macromoléculas da cartilagem, como colágeno e proteoglicanos, especialmente agregados ligados ao ácidohialurônico 1. Esses atuam como estruturas de contenção que ordenam e limitam o movimento da água. Essa interação proporciona ao tecido não apenas rigidez, mas também resiliência e a capacidade de se recuperar após a deformação. A interação entre água livre, água ligada e a matriz macromolecular constitui o núcleo do comportamento biomecânicoda cartilagem 2.
Apesar de sua notável capacidade de suportar e distribuir cargas físicas e mecânicas que atingem as articulações, uma vez lesionada, a cartilagem articular (CA) tem potencial limitado para reparo espontâneo devido à baixa atividade mitótica dos condrócitos e à fraca vascularizaçãotecidual 2. O dano articular geralmente está associado à perda progressiva de moléculas e proteínas da matriz extracelular (ECM), que constituem 95% do tecido e conferem características biomecânicas à AC3. Um desequilíbrio entre síntese e degradação dos componentes da MEC, que se desloca para processos catabólicos, pode resultar em osteoartrite (OA), a doença degenerativa articular mais prevalente no mundo. A osteoartrite afeta aproximadamente 10-12% da população adulta, causando dor, limitando a mobilidade e reduzindo significativamente a autonomia dospacientes 4. A osteoartrite é mais prevalente em populações envelhecidas devido a insultos acumulados na articulação ao longo da vida; No entanto, diversos fatores de risco têm sido associados ao início da condição clínica, como gênero, predisposição genética, obesidade e hábitos diários4. Até agora, as abordagens terapêuticas para tratar a OA consistiam no manejo clínico dos sintomas e na substituição total das articulações nos casos maisgraves. Sem uma estratégia terapêutica robusta, reprodutível e confiável para tratar a OA de forma eficaz, abordagens inovadoras para entender e tratar os problemas associados à lesão da cartilagem articular estão sendo estudadas.
Para reparar, regenerar e aprimorar o movimento articular nas articulações artríticas, o progresso na medicina regenerativa surgiu como uma nova esperança para restaurar o AC 6,7 danificado. O uso de condrócitos autólogos combinado com implantação de ECM e injeção intraarticular de células-tronco representa o estado atual da arte nessaárea 8,9,10. O principal desafio dessas abordagens é garantir a diferenciação adequada e a síntese funcional de MEE por células implantadas. Os condrócitos autólogos tendem a formar fibrocartilagem ou evoluir para um estado hipertrófico, criando novo tecido disfuncional que não recapitula as características fisiológicas do AC, levando a uma recuperação incompleta e frequentemente a deterioraçãotardia 11. Biomateriais podem ser usados para guiar o comportamento celular durante a regeneração tecidual, fornecendo um andaime temporário para que as células aderam e sintetizem matrizes extracelulares novas, naturais efuncionais 12,13,14. O biomaterial ideal para a engenharia da cartilagem deve garantir forte integração com os tecidos ao redor, especialmente o osso subcondral, pois a falha nessa interface compromete o reparo a longo prazo. No entanto, a fraca ligação entre a cartilagem e as camadas ósseas dos andaimes osteocondrais e a má integração com o tecido hospedeiro continuam sendo grandesdesafios. Embora andaimes tentem imitar a arquitetura osteocondral nativa, reproduzir a complexa microestrutura da interface ainda é difícil. Isso reforça a importância da pesquisa e desenvolvimento de andaimes com propriedades biológicas que possam simultaneamente apoiar a regeneração de cartilagem e osso, mantendo a estabilidade da interface16. A gelatina, derivada do colágeno — um componente fundamental do tecido cartilaginoso — possui propriedades como motivos de ligação celular e biodegradabilidade, sugerindo seu potencial como biomaterial de suporte quando combinada com fatores regenerativos para o tratamento de lesões osteocondrais. Quando modificado quimicamente com anidrido metacrílico para formar gelatina metacriloíla (GelMA), ele se torna foto-reticulável, permitindo a injeção e fotopolimerização in situ, o que aumenta a estabilidade mecânica para aplicações em medicinaregenerativa 17.
Lesões osteocondrais possuem capacidade regenerativa limitada, o que representa um desafio clínico. Investigações pré-clínicas que utilizam modelos animais de grande porte de lesão na articulação do joelho são essenciais para a pesquisa translacional porque permitem a avaliação sistemática das variáveis que afetam os mecanismos da doença e os resultados terapêuticos. Espécies comumente usadas incluem porcos, cabras, cães, cavalos e ovelhas, cada uma apresentando vantagens e limitações específicas que devem ser consideradas no desenho experimental. Além disso, todas essas espécies apresentam reparação endógena limitada de defeitos condrais e osteocondrais, como observado emhumanos 18. Para garantir que esses modelos sejam preditivos dos resultados humanos, eles devem reproduzir parâmetros relevantes como anatomia, fisiologia e propriedadesbiomecânicas 18. Para comparação, a espessura da cartilagem articular humana nos côndilos femorais varia de 1,8 a 2mm 19, e o diâmetro das lesões cartilaginosas que normalmente requerem tratamento é de 10 mm oumais 20.
O modelo suíno oferece vantagens para estudos de regeneração de cartilagem e osteocondral, já que o tamanho das articulações, a espessura da cartilagem e as necessidades de suporte de peso se assemelham muito aos observados emhumanos 18. Algumas raças de porquinho miniatura, como o miniporco de Göttingen, são fáceis de manusear e atingem a maturidade esquelética entre 18 e 22 meses deidade. A espessura da cartilagem varia de 1 a 2 mm, e defeitos de 6 a 8 mm podem ser criadosem 18 mm. As características ósseas, incluindo espessura trabecular, taxa de apposição óssea e organização das fibras de colágeno, são comparáveis às dos humanos. No entanto, o modelo suíno também apresenta limitações: mesmo em raças miniatura, a articulação do joelho (stifle) é menor do que em humanos, limitando a criação de grandes defeitos experimentais. Além disso, a maioria dos estudos utiliza animais imaturos por esqueletos devido aos custos de manutenção associados, que podem superestimar o potencial dereparo 23.
Cabras apresentam anatomia articular, biomecânica e espessura de cartilagem semelhantes às dos humanos. Eles não exigem instalações especializadas, são fáceis de manusear e são relativamentebaratos 25. A espessura da cartilagem de cabra varia de 0,8 a 2,0 mm, e o tamanho de defeito crítico mais relatado é de 6mm 26. No entanto, há variação significativa na espessura da cartilagem entre raças, tamanhos e sexos, o que pode levar a resultadosinconsistentes 27. A proporção cartilagem para osso subcondral e a estrutura óssea trabecular também são comparáveis às dos humanos. A maturidade esquelética ocorre relativamente tarde, entre 24 e 36 meses deidade, aos 29 anos. Do ponto de vista biomecânico, o joelho da cabra sofre pressões articulares e cargas cíclicas semelhantes às dos humanos, embora a flexão do joelho durante a marcha seja maior (50°-70° em cabras contra <30° em humanos), resultando em áreas de contatodistintas 30. Essa diferença, combinada com pressões de pico mais altas, pode contribuir para um reparo da cartilagem menoseficiente 30.
Entre os modelos animais de grande porte, os cães se destacam pela capacidade de tolerar regimes de reabilitação, imobilização articular e treinamento para caminhada na esteira, natação e exercícios controlados de suportede carga 18. A espessura da cartilagem articular varia de 0,9 a 1,3 mm, e o tamanho crítico do defeito é aproximadamente 4 mm, limitando a comparação direta com o modelohumano 25. A maturidade esquelética ocorre entre 8,5 e 13,7 meses deidade, aos 31 anos. Anatomicamente, o joelho canino difere do joelho humano, e variações na biomecânica, padrões de carga e maturidade entre raças complicam a extrapolação dosresultados 32. Apesar dessas diferenças anatômicas e do pequeno tamanho do defeito, o modelo canino continua sendo valioso para estudos que incluem protocolos de reabilitação ou patologias espontâneas da cartilagem semelhantes às humanas. No entanto, seu uso experimental é restrito por consideraçõeséticas 29.
O modelo equino é o maior modelo animal disponível para pesquisa em reparação de cartilagem e desenvolve naturalmente lesões condrais relacionadas à idade ou trauma e osteoartrite semelhantes às de humanos. Os cavalos apresentam características anatômicas e biomecânicas comparáveis aos humanos, como articulação do joelho ereta, tamanho articular grande, espessura da cartilagem entre 2 e 3 mm mais próxima da cartilagem humana — extensão completa do joelho durante a marcha, e densidade mineral ósseacomparável de 34. A maturidade esquelética ocorre entre 24 e 48 meses, e os tamanhos dos defeitos comumente estudados variam de 6 a 20 mm32,33. As limitações incluem a alta carga vertical sobre a articulação do stifle equino durante a locomoção, que expõe os implantes a forças maiores do que em humanos e dificulta a cicatrização a longoprazo 35. Além disso, os custos de aquisição e manutenção são altos, e são necessárias instalaçõesespecializadas 36.
As ovelhas são amplamente utilizadas como modelo em estudos de reparo de cartilagem devido à sua disponibilidade, temperamento dócil, boa tolerância a cirurgias articulares e facilidade demanuseio 37. A maturidade esquelética em ovelhas é tipicamente atingida por volta dos 2-3 anos de idade, aos 25 anos. Além disso, o joelho ovino apresenta semelhanças anatômicas e biomecânicas com a articulação humanado joelho 38. A espessura da cartilagem no côndilo femoral medial varia de 0,7 a 1,7 mm, e a densidade mineral óssea e as pressões de contato também são comparáveis, embora a fração de volume ósseo seja maior emovelhas 39. Devido à redução da espessura da cartilagem, defeitos induzidos frequentemente se estendem para o osso subcondral, tornando este modelo mais adequado para estudos de defeitososteocondrais 32. Lesões de 6 a 8 mm de diâmetro geralmente são criadas em locais como os côndilos femorais e otrocleo 32. Além disso, o modelo ovino oferece vantagens para estudos bilaterais, permitindo a comparação de locais tratados e controles dentro do mesmo animal, reduzindo assim a variabilidade relacionada ao hospedeiro, melhorando a consistência e reprodutibilidade, e minimizando o número de animaisnecessários para 40. Cada modelo apresenta diferentes graus de semelhança com a fisiologia humana e biomecânica. Portanto, a seleção do modelo deve equilibrar relevância biológica, viabilidade prática e considerações éticas. No presente estudo, foram incluídas ovelhas nulíparas de 12 meses, avaliadas durante o período sazonal do anestro.
Este estudo buscou desenhar um protocolo eficaz para gerar defeitos osteocondrais agudos em animais grandes. O protocolo envolve a criação de uma lesão osteocondral de espessura total para estabelecer um modelo adequado para estudos de medicina regenerativa. Além disso, a aplicação do hidrogel GelMA é explorada como guia para a cicatrização de tecidos e como um método prospectivo para a entrega de moléculas e células regenerativas. O protocolo descreve o procedimento cirúrgico para criar lesões osteocondrais na cartilagem articular do joelho da ovelha. É adaptável a várias aplicações de engenharia de tecidos, incluindo a indução de lesões semelhantes em outros modelos de grandes animais para medicina regenerativa.