Ana Carolina Faria Morandini 1, Carlos Ferreira Santos 2, Mário Taba Jr 3

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1 R. Periodontia - Junho Volume 18 - Número 02 FUNDAMENTOS E PRINCÍPIOS BIOLÓGICOS DA ENGENHARIA TECIDUAL EM PERIODONTIA REVISÃO DE LITERATURA Concepts and biological principles of periodontal tissue engineering - literature review Ana Carolina Faria Morandini 1, Carlos Ferreira Santos 2, Mário Taba Jr 3 RESUMO O objetivo principal da terapia periodontal deve ser a restauração completa da estrutura e função dos tecidos perdidos com o processo de doença, resultando na cura pela formação de novo aparelho de inserção (novo osso, cemento e ligamento periodontal). Essa regeneração depende da proliferação, migração, diferenciação e síntese de matriz protéica. A engenharia tecidual é um campo multidisciplinar em emergência e é definida como a aplicação de princípios de engenharia, química e biologia objetivando o reparo, restauração ou regeneração de tecidos vivos. O objetivo desta revisão é discutir os fundamentos para engenharia de tecidos direcionada à regeneração periodontal dando ênfase à terapia celular, bem como mostrar o atual estágio de evolução nessa área e suas futuras direções em Odontologia. UNITERMOS: Engenharia de tecidos. Periodontia. Terapia celular. R Periodontia 2008; 18: Mestranda em Reabilitação Oral Periodontia, FOB/USP 2 Professor Associado (Livre-Docente), Departamento de Ciências Biológicas, Disciplina de Farmacologia, FOB/USP 3 Professor Associado (Livre-Docente), Departamento de Cirurgia e Traumatologia Bucomaxilofacial, Disciplina de Periodontia, FORP/USP Recebimento:01/08/07 - Correção:04/12/07 - Aceite:20/03/08 INTRODUÇÃO O objetivo principal da terapia periodontal deve ser a restauração completa da estrutura e função dos tecidos perdidos com o processo de doença, resultando na cura pela formação de novo aparelho de inserção (novo osso, cemento e ligamento periodontal). Essa regeneração periodontal depende da proliferação, migração, diferenciação e síntese de matriz protéica. Os métodos terapêuticos propostos para que esta efetivamente aconteça apresentam ainda resultados limitados. Estes incluem regeneração tecidual guiada (RTG), condicionamento ácido da superfície radicular, enxertos ósseos ou de biomateriais, que funcionam como arcabouço temporário para facilitar a osteogênese. Embora estudos dos últimos 15 anos demonstrem que regeneração é biologicamente possível e clinicamente reprodutível 1 (BARTOLD & NARAYANAN, 1997), a severa destruição do osso alveolar periodontal pode representar um defeito de tamanho crítico que não pode ser regenerado com boa previsibilidade pelas abordagens terapêuticas convencionais. Apesar dos avanços nessa área, as limitações relacionadas ao fato de que esses materiais sintéticos não reproduzem exatamente a composição química e estrutural do osso mineral natural ainda 14

2 persistem 8 ( LYNCH et al, 1999). O termo Engenharia Tecidual foi definido por LAURENCIN et al 6, em 1999, como a aplicação de princípios de engenharia, química e biologia objetivando o reparo, restauração ou regeneração de tecidos vivos, por meio da utilização de biomateriais, células e fatores de crescimento, sozinhos ou em combinação. Engenharia Tecidual é um campo multidisciplinar em emergência que vem para provocar uma revolução na maneira como devolvemos a saúde e qualidade de vida a milhões de pessoas no mundo, seja restabelecendo, mantendo ou otimizando a função de um tecido ou órgão 19 (SIPE et al, 2002). É um termo originalmente empregado para descrever a produção de um tecido em meio de cultura, utilizando-se células semeadas e desenvolvidas em matrizes (arcabouços) porosas absorvíveis. Vários tipos celulares, como células ósseas, podem proliferar-se mantendo seu fenótipo. Dessa forma, na Engenharia Tecidual Periodontal busca-se especificamente o reparo de osso alveolar, cemento associado ao dente e ligamento periodontal 20 (SLAVKIN & BARTOLD, 2006). A regeneração depende de quatro componentes básicos: moléculas sinalizadoras apropriadas (fatores de crescimento), células, suprimento sanguíneo (nutrição) e um arcabouço (scaffold) para guiar e criar estrutura tridimensional 21 (TABA Jr et al, 2005). Para se atingir esse objetivo, é necessário a construção de biomateriais que sejam capazes de interagir com moléculas bioativas (fatores de crescimento) e células. Diante disso, diferentes polímeros, cerâmicas, proteínas e células têm sido testados. Técnicas utilizando terapia gênica podem contribuir muito nesse processo, funcionando como uma alternativa terapêutica através da modulação da resposta do hospedeiro. Células-tronco também têm sido alvo de pesquisas, focando sua aplicação terapêutica impulsionadas pelo alto potencial de auto-renovação e capacidade de originar linhagens celulares com diferentes funções 9 (MA, 2006) REVISÃO DA LITERATURA: Embora muito progresso tenha sido alcançado no campo da medicina regenerativa óssea durante os últimos anos, as terapias atuais, como enxertos, ainda têm muitas limitações 18 (SALGADO et al, 2004). A não ser pelo fato da tecnologia no desenvolvimento de materiais ter resultado em evidentes melhorias na área da substituição óssea, não houve ainda o desenvolvimento de um substituto ósseo ideal. É neste contexto que o campo emergente da Engenharia Tecidual tem ganho notoriedade nos últimos dez anos. É uma área baseada no profundo conhecimento de embriologia, formação e regeneração tecidual e que objetiva o crescimento de novos tecidos funcionais, não só a mera reposição de peças. Combinam-se conhecimento integral de Medicina, Química, Engenharia e Biologia em uma aproximação interdisciplinar detalhada. Engenharia de tecidos está intimamente relacionada ao campo de medicina regenerativa 5 (KNESER et al, 2006). Vários autores afirmam que o século XXI parece representar um tempo na história onde existe uma convergência entre a Odontologia Clínica e a Medicina, bem como a Genética Humana, Biologia Molecular e do desenvolvimento da Biotecnologia, Bioengenharia e Bioinformática. Nessa convergência, surge a oportunidade para a Bioengenharia desenvolver e fabricar esmalte dental, dentina, cemento, ligamento periodontal e osso alveolar. Para que ocorra a regeneração periodontal, a disponibilidade de tipos celulares apropriados em conjunto com um ambiente local favorável, promovendo migração, adesão, proliferação e diferenciação celular, devem estar coordenados precisamente em tempo e espaço 20 (SLAVKIN & BARTOLD, 2006). O QUE É TERAPIA CELULAR? O princípio da terapia celular é restaurar a função de um órgão ou tecido, transplantando novas células para substituir as células perdidas pela doença, ou substituir células que não funcionam adequadamente devido a um defeito genético. A forma mais simples para sua utilização, em Medicina, é pela transfusão de células do sangue (hemácias, granulócitos, plaquetas), sendo uma das abordagens terapêuticas mais amplamente utilizadas no mundo. Pesquisas recentes mostraram que uma alternativa para a terapia celular seria a utilização de células-tronco. Essas células são indiferenciadas e têm a capacidade não só de gerar novas células-tronco, mas também grande variedade de células de diferentes funções. Um aspecto peculiar à regeneração periodontal é o envolvimento de vários tipos celulares: células epiteliais derivadas do epitélio juncional e gengival, osteoblastos, cementoblastos e fibroblastos originários do tecido gengival e do ligamento periodontal 10, 11 ( MCCAULEY & SOMERMAN, 1998; MCCULLOCH, 1993). Vários autores 3,4,12,13,15,16 (GOTTLOW ET AL, 1984; KARRING, 1980;.MCCULLOCH,1995; MELCHER AH. 1976; NYMAN ET AL. 1980; NYMAN ET AL. 1982) demonstraram que a regeneração ocorre quando as células presentes na área afetada após a cura da ferida forem do mesmo tipo e apresentarem as mesmas características funcionais daquelas originalmente existentes. Assim a terapia celular visa promover a proliferação, migração e diferenciação de células capazes de formar 15

3 novo aparelho de inserção periodontal. É justamente essa capacidade de proliferação, migração e formação de tecido conjuntivo pelas células-tronco nos estágios iniciais do reparo que parece exercer papel importante na formação de ligamento periodontal e cemento e, conseqüentemente, na regeneração periodontal, sem desenvolvimento de reabsorção radicular e anquilose. Uma vez estimuladas, essas células-tronco seriam capazes de se proliferar, migrar e se diferenciar em fibroblastos, cementoblastos e osteoblastos. CÉLULAS-TRONCO: A fonte das células é a primeira preocupação quando se trata de tecido produzido pela Bioengenharia, no sentido de que as características ótimas incluem: não imunorejeição, não reação enxerto versus hospedeiro, não tumorigenicidade, disponibilidade imediata e em quantidades pertinentes, controle da taxa de proliferação celular, potencial osteogênico consistente e previsível, bem como uma controlada integração com os tecidos ao redor. A eficiência de isolamento e expansão, estabilidade do fenótipo osteoblástico, capacidade de formação óssea in vivo, e segurança a longo prazo são requisitos essenciais que deveriam ser alcançados por qualquer tipo de célula osteogênica para o sucesso da aplicação clínica 5 ( KNESER ET AL, 2006). Células-tronco são as responsáveis pelo desenvolvimento e regeneração de tecidos e órgãos. Sinais bioquímicos e biomecânicos guiam sua proliferação e diferenciação tanto nos estágios precoces de desenvolvimento quanto na regeneração após a doença. Podem ser de origem embrionária, chamadas células-tronco embrionárias (CTE), encontradas no blastocisto ou nos estágios mais precoces da diferenciação celular, ou células-tronco adultas (CTA), que podemos encontrar em diversos tecidos do corpo como epitélio, músculo, matriz óssea, cérebro, polpa dental, fígado, vasos sanguíneos, e coração 7 (LEMOLI, 2005). A plasticidade celular refere-se à habilidade de células-tronco adultas em adquirir fenótipos maduros diferentes do seu tecido de origem. Dentre as células-tronco adultas do osso medular, por exemplo, temos as células-tronco hematopoéticas (CTH), que dão origem a linhagens maduras de células do sangue e as células mesenquimais indiferenciadas, ou seja, células-tronco mesenquimais (CTM), que podem diferenciar-se em osso, cartilagem e gordura. O PRINCÍPIO DA TERAPIA: As células-tronco mesenquimais da medula óssea têm um potencial inerente de diferenciação em linhagens celulares osteogênicas, condrogênicas, adipogênicas e miocárdicas 22 (TABATA, 2001). Essa população celular pode ser facilmente isolada da medula óssea e expandida in vitro, a partir de amostras relativamente pequenas, o que faz destas as candidatas ideais para estratégias de terapia celular a fim de regenerar o tecido afetado 2,17 (DAGA et al, 2002; QUAR- TO et al, 2001). As células de interesse também podem passar por processo de expansão em número, em cultura, antes de serem implantadas in vivo, uma vez que células-tronco representam uma porcentagem muito pequena de células nos tecidos adultos. Recentemente, um estudo mostrou a primeira evidência de reconstrução de órgão dentário inteiro com sucesso via transplante de material desenvolvido pela bioengenharia através da compartimentalização celular in vitro 14 (NAKAO, 2007). Essa experiência, sem dúvida, aumenta o potencial para uso dessa tecnologia em futuras terapias regenerativas. A adesão celular, migração, proliferação e diferenciação são exemplos de processos biológicos influenciados pela composição e organização estrutural das matrizes extracelulares ao redor. A capacidade das moléculas sinalizadoras em estimular a formação de um tecido é dependente da presença, no tecido residual, de células competentes para responder ao sinal e produzir o tecido desejado. A concentração celular é um parâmetro crítico para a expansão da cultura 8 (LYNCH, 1999). O grande problema seria controlar sua diferenciação. Ainda não foi demonstrado um protocolo para as condições de diferenciação dessas células e que o estágio de diferenciação celular desejado pode ser devidamente mantido. Existe a preocupação de que as células se multipliquem descontroladamente e dêem origem a tumores. DISCUSSÃO: O ponto crítico para o futuro é aprender como controlar as células-tronco e fazê-las diferenciarem-se permanentemente no tipo celular desejado. Obter, purificar e expandir culturas de células-tronco, bem como controlar os processos de diferenciação permanente são pendências que ainda precisam de solução. Apesar do grande avanço no conhecimento de biologia celular alcançado até agora, passos ainda devem ser dados em direção a melhor compreensão do que é preciso para se desenvolver um material feito pela Engenharia de tecidos, comercialmente disponível. A primeira necessidade é tentar compreender melhor como os fatores de crescimento interagem entre si e com as células, qual é seu efeito, qual mecanismo intracelular é desencadeado por eles e, principalmente, como eles podem ser ativados ou inativados. Seria igualmente interessante se aprofundar no fenômeno de migração que leva células ao ambiente de ci- 16

4 catrização. Quanto à viabilidade clínica, deve-se ressaltar que não podemos deixar de pensar no custo/benefício desses materiais, equilibrando o nosso cotidiano com a realidade econômica e social em que estamos inseridos como profissionais. CONCLUSÃO: Não há dúvida de que a Engenharia Tecidual tem o enorme potencial de contribuir significativamente com a sociedade na próxima década. Numerosas técnicas já foram testadas na tentativa de se regenerar tecidos perdidos pela doença periodontal. O sucesso, na maioria das vezes, depende muito do conhecimento acerca da biologia do processo regenerativo. O próximo passo em tecnologias regenerativas será envolver conhecimento mais profundo de sinalização molecular (intra e extracelular) e mecanismos de diferenciação celular nos processos regenerativos. ABSTRACT The main goal of periodontal therapy must be the structural and functional rehabilitation of the lost tissues due to the periodontal disease, resulting in repair and formation of new periodontal attachment (new bone, cementum and periodontal ligament). Regeneration depends on the proliferation, migration, differentiation and production of extracellular protein matrix. Tissue engineering is an emerging multidisciplinary field defined as the application of the concepts of engineering, chemistry and biology aiming repair, restoration or regeneration of tissues. The aim of this literature review is to discuss principles and methods of engineering tissues for periodontal regeneration emphasizing on cell therapy, as well as to show the state of the art in this field and to present the future directions in Dentistry. UNITERMS: Tissue engineering. Cell therapy. Stem cells. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS 1- Bartold PM, Narayanan AS. Biology of the Periodontal Connective Tissues after transplantation in vivo. J Bone Miner Res 1997; 12(3): Daga A, Mudaglia A, Quarto R. Enhanced engraftment of EPOtransduced human bone marrow stromal cells transplanted in a 3D matrix in non-conditioned NOD/SCID mice. Gene Ther 2002;9(14): Gottlow J, Nyman S, Karring T. Healling following citric acid conditioning of roots implanted into bone and gingival connective tissue. J Periodont Res 1984;19(2): Karring T, Nyman S, Lindhe J. Healling following the implantation of periodontitis affected roots in to bone tissues. J Clin Periodont 1980;7(5): Kneser et al. Tissue engineering of bone: the reconstructive surgeons point of view. J Cell Mol Med 2006;10(1): Laurencin CT et al. Tissue engineering: orthopedic applications. Annu. Rev. Biomed. Eng. 1999;1: Lemoli et al. Stem cell plasticity: time for a reappraisal? Haematologica 2005;90(3): Lynch SE, Genco RJ, Marx RE. Tissue Engineering: Applications in Maxillofacial surgery and Periodontics. 1st ed. Boston: Quintessence Publishing; Ma PX, Elisseef J. Scaffolding in tissue engineering. Biomed Eng 2006;5(52):

5 10.McCauley LK, Somerman MJ. Biologic modifiers in periodontal regeneration. Dent Clin North Am 1998;42(2): McCulloch CAG. Basic considerations in periodontal wound healing to achieve regeneration. Periodontol 2000, 1993;1(1): McCulloch CAG. Origins and functions of cells essential for periodontal repair: the role of fibroblasts in tissue homeostasis. Oral Dis 1995;1(4): Melcher AH. On the repair potential of periodontal tissues. J Periodontol 1976;47(5): Nakao, K. et al; The development of a bioengineered organ germ method. Nature : BRIEF COMMUNICATIONS 15- Nyman S et al. Healling following the implantation of periodontitis affected roots into gingival connective tissue. J Clin Periodont 1980;7(5): Nyman S et al. The regenerative potential of periodontal ligament: an experimental study in the monkey. J Clin Periodont 1982;9(3): Quarto R, Mastrogiacomo M, Cancedda R. Repair of large boné defects with the use of autologous bone marrow stromal cells. N Engl J Med 2001;344(5): Salgado et al. Bone tissue engineering. State of the Art and future trends. Macromolecular Biosc 2004;4: Sipe JD, Kelley CA, McNichol LA. Reparative medicine: growing tissues and organs. New York:Ann N Y Acad Sci, Slavkin HC, Bartold PM. Challenges and potential in tissue engineering. Periodontol 2000, 2006;41: Taba Jr M et al. Current Concepts in periodontal bioengineering. Orthod Craniofacial Res 2005;8(4): Tabata Y. Recent progress in tissue engineering, Drug Disc Today 2001;6(9): Endereço para correspondência: Dr. Carlos F. Santos Universidade de São Paulo Faculdade de Odontologia de Bauru Disciplina de Farmacologia Alameda Octávio Pinheiro Brisolla, 9-75 CEP: Bauru - SP - Brasil Tel.: (55 14) Fax: (55 14) cebola@usp.br 18