Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/55976

TitleAdvanced technological approaches for 3-D hierarchical living tissues
Author(s)Canadas, Raphaël Faustino
Advisor(s)Oliveira, Joaquim Miguel Antunes de
Marques, Alexandra Margarida Pinto
KeywordsHierarchical structures
cell co-cultures
bioreactors
interfaces
gradients
Estruturas hierárquicas
co-culturas celulares
biorreatores
interfaces
gradientes
Issue date15-May-2018
Abstract(s)In nature, isotropic and anisotropic hierarchical patterns characterize living tissues, in which cells assemble in multiple interacting three-dimensional (3-D) arrangements that associate both structure and function to compose complex organisms. Nowadays, in vitro generated biological models have been translated from two-dimensions (2-D) to 3-D, resulting in significantly improved biomimetic features of human native tissues. However, the area of cell culture systems has not evolved at the same rate as the state of the art of tissue engineering. In the work described in this doctoral thesis, 3-D gradients, the control over porosity architecture, and the development of cell culture devices for 3-D sophisticated engineered tissues were targeted to achieve the development of advanced solutions either to fabricate hierarchical 3-D tissues matured in vitro, or to create cell culture systems adapted to the development of such biomimetic tissues. So, 3-D biocompatible structures were fabricated based on gradients of microparticles and applied in vivo for osteochondral defects regeneration. Furthermore, the porosity orientation of 3-D structures was controlled into anisotropic and isotropic architectures for the regeneration and mimicry of soft-hard interfaced tissues, such as the osteochondral unit, and to reproduce relevant patterned features of other tissues, such as the linearity of neocortex. Additionally, a bioreactor and a rotational platform were developed to enable a better spatial control over cell adhesion and to induce stem cell co-differentiation through gradient of growth factors in a single construct. This allows the creation of specific phenotypic profiles with controlled location within a single construct. Therefore, stem cell co-differentiations and co-cultures of different cell types in single constructs were used to study the expression of both osteogenic and chondrogenic phenotypes as well as the pre-vascularization of one part of the structure. In a summary, the developed work has a direct impact in the cell culture of hierarchical 3-D tissues in vitro and in the development of interfaced tissue-like constructs, with potential interest for the drug development, as well as for regenerative medicine.
Na natureza, os tecidos vivos são compostos por padrões hierárquicos e isotrópicos/anisotrópicos, nos quais as células se organizam em múltiplas disposições tri-dimensionais (3-D) que definem a sua função. Atualmente, a recriação de sistemas biológicos in vitro evoluiu de sistemas bidirecionais (2-D) para 3-D, o que resultou em melhorias significativas na reprodução das características nativas dos tecidos humanos. Contudo, a evolução dos sistemas de cultura celular não tem acontecido ao ritmo do estado da arte da engenharia de tecidos. No trabalho de doutoramento aqui descrito, gradientes 3-D, o controlo sobre a arquitectura da porosidade e o desenvolvimento de sistemas de cultura para a egenharia de tecidos 3-D sofisticados, foram focados de forma a serem desenvolvidas soluções avançadas quer para a fabricação de tecidos 3-D hierárquicos in vitro, quer para se criarem sistemas de cultura celular adaptados ao desenvolvimento desses tecidos. Para isso, foram fabricadas estruturas 3-D biocompatíveis com base em gradientes de micropartículas, e aplicadas para a regeneração de defeitos osteocondrais. Para além disto, a orientação da porosidade em estruturas 3-D foi controlada para formar arquiteturas anisotrópicas ou isotrópicas capazes de mimetizar e regenerar tecidos em interfaces, transitando de “rígida-para-suave”, como a unidade osteocondral, assim como para reproduzir padrões de outros tecidos, como a linearidade do córtex cerebral. Adicionalmente, foram desenvolvidos um biorreator e uma plataforma rotacional para melhorar o controlo espacial da adesão celular, e a co-diferenciação de células estaminais numa única estrutura usando gradientes de fatores de crescimento, possibilitando a criação de estruturas únicas com fenótipos específicos em diferentes locais. Co-diferenciação de células estaminais ou co-culturas de diferentes tipos de células numa mesma estrutura foram então utilizadas para estudar a expressão de dois fenótipos, osteogénico e condrogénico, e, ainda, a indução do processo de prevascularização localizado numa região específica dessa estrutura. Sumarizando, o trabalho desenvolvido tem impacto direto na cultura in vitro de células em estruturas hierárquicas 3-D, e no desenvolvimento de interfaces de tecidos, com potencial interesse para as áreas de desenvolvimento e rastreio de fármacos, bem como para a medicina regenerativa.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de Doutoramento em Engenharia de Tecidos, Medicina Regenerativa e Células Estaminais
URIhttp://hdl.handle.net/1822/55976
AccessEmbargoed access (2 Years)
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
DEP - Teses de Doutoramento

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