Nanoaquecimento e gelo

Biologia das Comunicações, volume 6, número do artigo: 220 (2023) Citar este artigo

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A preservação bem-sucedida de órgãos ou tecidos a longo prazo revolucionaria a biomedicina. A criopreservação da cartilagem permite prolongar a vida útil da cartilagem articular, apresentando a perspectiva de ampliar a implementação de transplantes promissores de aloenxerto osteocondral (OCA) para reparo de cartilagem. No entanto, a cartilagem criopreservada de grandes dimensões não pode ser aquecida com sucesso com a abordagem convencional de aquecimento por convecção devido à sua taxa de aquecimento limitada, bloqueando o seu potencial clínico. Aqui, desenvolvemos um método de nanoaquecimento e criopreservação sem gelo para preservação de cartilagem articular intacta e de grande porte. Nosso método atinge uma taxa de aquecimento de 76,8 °C min-1, uma ordem de grandeza superior ao aquecimento por convecção (4,8 °C min-1). Usando testes sistemáticos de células e tecidos, demonstramos o desempenho superior do nosso método na preservação de grandes cartilagens. Uma maneira de preservação dependente da profundidade também é observada e recapitulada através de ressonância magnética e modelagem computacional. Finalmente, mostramos que a entrega de nanopartículas ao lado ósseo da OCA poderia ser uma direção viável para maior otimização do nosso método. Este estudo é pioneiro na aplicação de nanoaquecimento e criopreservação sem gelo para grandes cartilagens articulares e fornece informações valiosas para o desenvolvimento futuro de técnicas, abrindo caminho para aplicações clínicas de cartilagem criopreservada.

O transplante de órgãos ou tecidos salvos salvou milhões de vidas e melhorou a qualidade de vida de pacientes que sofrem de falência de órgãos ou doenças teciduais1,2. Contudo, o número de órgãos e tecidos prontos para transplante está longe de atender às necessidades da população de pacientes. Por exemplo, em 2020, foram realizados 39.036 transplantes de órgãos nos Estados Unidos, enquanto 55.121 novos candidatos foram adicionados à lista de espera3; muitos pacientes morrem enquanto aguardam o transplante de órgãos. Apesar da enorme procura não satisfeita de órgãos e tecidos, o facto decepcionante é que muitos órgãos e tecidos não são viáveis ​​para implantação e são descartados porque atingem o limite máximo de tempo de preservação post-mortem1,4. No caso do transplante de órgãos, até 70% dos órgãos doados expiram antes de chegar aos pacientes1,4. Conseguir a preservação de órgãos e tecidos a longo prazo é fundamental para melhorar as taxas de utilização e aliviar a escassez existente.

Os defeitos da cartilagem articular são problemas comuns no joelho, afetando 60–66% dos pacientes submetidos a procedimentos artroscópicos5,6,7,8. Devido à capacidade regenerativa limitada da cartilagem articular, os defeitos da cartilagem podem evoluir para osteoartrite (OA) sem intervenção cirúrgica adequada. A OA afecta mais de 25,6 milhões de adultos e resulta em quase 200 mil milhões de dólares em custos relacionados todos os anos nos Estados Unidos9. À medida que a população cresce e envelhece, prevê-se que o número de pacientes com OA aumente dramaticamente10. Atualmente, não há cura para a OA, demonstrando a necessidade de pesquisas contínuas nesta área. O transplante de aloenxerto osteocondral (OCA) é uma estratégia atraente de reparo de cartilagem para controlar a progressão da OA, particularmente para pacientes jovens e fisicamente ativos com grandes defeitos11. Em comparação com outras opções de tratamento, como microfratura, implantação autóloga de condrócitos, transplante de autoenxerto osteocondral e abordagens emergentes de engenharia de tecidos, o transplante OCA substitui imediatamente o local do defeito por cartilagem hialina funcional de espessura total, requer apenas um único procedimento cirúrgico e evita o problema de mortalidade do sítio doador12,13. O transplante OCA também é uma escolha cirúrgica preferida para pacientes com danos generalizados à cartilagem, lesão óssea subcondral ou falha na cirurgia anterior da cartilagem12,13. A taxa média de sobrevida em 10 anos do transplante de OCA é de 78,7%14, e 75–88% dos pacientes conseguem retornar à prática esportiva após o transplante15. O uso clínico do transplante de OCA para restauração de cartilagem aumentou em popularidade na última década16, e espera-se uma maior necessidade de OCAs no futuro. No entanto, a disponibilidade de OCAs frescos é limitada. Os métodos atuais de armazenamento hipotérmico padrão-ouro para armazenamento de OCA só podem preservar as propriedades funcionais do OCA por até 28 dias antes da implantação . Este período de tempo é muitas vezes insuficiente, considerando o tempo prolongado necessário para o planeamento cirúrgico, incluindo colheita de OCA, transporte, rastreio mínimo de doenças infecciosas de 14 dias, correspondência de enxertos, preparação do paciente e outras logísticas relacionadas. Quase 30% dos OCAs são descartados sem implantação nos Estados Unidos19, desafiando ainda mais a disponibilidade de OCA e restringindo a ampla implementação do transplante de OCA.