Tissue engineering strategies for periodontal tissue regeneration based on platelet lysate

Abstract

The destruction of periodontal tissue as consequence of periodontitis, a prevalent infection of gingiva, is a major clinical issue that ultimately results in teeth loose. Current clinical treatments enable to halt the disease, but the resulting repair outcomes are fairly variable and do not restore the periodontal tissue function. Periodontal tissue engineering aims at regenerating the periodontal wound by: 1) stimulating the self-heling ability of periodontium, providing an optimal combination of cells and biochemical stimuli; 2) providing a stable matrix to drive the regrowth of both soft and hard periodontal tissue; 3) preventing of soft gingival tissue collapse into the periodontal wound. The present thesis proposes the use of structured compartmentalized systems for addressing such requirements and explores the application of platelet lysate (PL), as a new tool in the design of periodontal tissue engineering approaches. Specifically, under this thesis, PL was studied either as a sole source of multiple growth factors involved in periodontal tissue repair/regeneration or as a potential “raw material” for the production of stable constructs with the ability to simultaneously deliver cells and/or growth factors. These various functionalities/hypothesis were assessed in vitro, together with other components of the envisioned bi-layer compartmentalized system, namely hyaluronic acid microspheres developed by a new methodology, that were used as a vehicle for the incorporation of PL in calcium phosphate cement composites (work described in Chapter III, IV and V). Subsequently, the developed materials were assembled as compartments of the bi-layered system, with or without cells, and implanted in relevant animal models to answer fundamental questions regarding the potential of the proposed approaches, specifically concerning its ability to regenerate bone (assessed in Chapter VI) or periodontal wounds (as described in chapter VII and VIII). Finally, in chapter IX, it was assessed the ability of a radially oriented multi-patterned device as a suitable tool for selecting the most adequate topography to be casted in PL based constructs aiming at periodontal therapy. Overall, results obtained under this thesis clearly demonstrate the versatility of PL as a source of bioactive signals prone to orchestrate the healing of periodontal wound. Moreover, the stabilization of platelet-origin proteins over the exposed root surface was proved to be of utmost importance for the predictable regeneration of periodontal tissue. Simultaneously, PL emerged as a potential raw material for the development of multifunctional tissue engineering devices.

A destruição de tecidos periodontais como consequência da periodontite, uma infecção prevalente de gengiva, é um grande problema clínico que pode resultar na perda dos dentes. Os tratamentos clínicos atuais permitem deter a doença, contudo o processo de reparação dos tecidos é bastante variável e não restaura a função do tecido periodontal. A engenharia de tecidos periodontais visa regenerar a ferida periodontal através da: 1) estimulação da capacidade de auto-regenerativa do periodonto, proporcionando uma combinação óptima de células e estímulos bioquímicos; 2) provissão de uma matriz estável que conduza o crescimento de tecidos periodontais moles e duros; 3) prevenção do colapso dos tecidos moles gengivais para a ferida periodontal. A presente tese propõe o uso de sistemas compartimentados estruturados para abordar esses requisitos e explora a aplicação de lisado de plaquetas (PL), como uma nova ferramenta na concepção de abordagens de engenharia de tecidos periodontais. Especificamente, nesta tese, o PL foi estudado quer como uma fonte única de múltiplos factores de crescimento envolvidos na reparação/regeneração do tecido periodontal quer como uma potencial "matéria-prima" para a produção de construções estáveis com a capacidade de libertar simultaneamente células e/ou factores de crescimento. Estas diferentes funcionalidades/hipóteses foram avaliadas in vitro, bem como os outros componentes do sistema compartimentado em bicamada proposto, nomeadamente microesferas de ácido hialurónico, que foram utilizados como um veículo para a incorporação de PL em compósitos de cimento de fosfato de cálcio (trabalho descrito nos Capítulos III, IV e V). Posteriormente, os materiais desenvolvidos foram montados como compartimentos do sistema bi-camada, com ou sem células, e implantados em modelos animais relevantes para responder a perguntas fundamentais sobre o potencial das abordagens propostas, especificamente quanto à sua capacidade de regeneração óssea (avaliados no Capítulo VI) ou de defeitos periodontais (como descrito no Capítulo VII e VIII). Finalmente, no capítulo IX, foi avaliada a capacidade de um dispositivo multi-padrão orientado radialmente como uma ferramenta apropriada para a seleccção da topografia mais adequada para construções à base de PL visando a terapia periodontal. No geral, os resultados obtidos no ambito da presente tese demonstram claramente a versatilidade do PL, como uma fonte de sinais de bioactivos propensas para orquestrar a cura da ferida periodontal. Além disso, a estabilização de proteínas com origem em plaquetas sobre a superfície radicular exposta foi provado ser de extrema importância para a regeneração previsível dos tecidos periodontais. Simultaneamente, PL emergiu como uma matéria prima potencial para o desenvolvimento de dispositivos de engenharia de tecidos multifuncionais.