Biomateriais II. Fátima Vaz

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1 Biomateriais II Medicina regenerativa: crescimento de tecidos e orgãos 1) células - regeneração celular, abordagem genética 2) suportes (scaffolds) - naturais (colagénios) e sintécticos (hidrogéis) 3) sinais moleculares 4) regeneração de tecidos: vasculares, pele, orgãos 5) remodelação in vivo, respostas dos tecidos e células Fátima Vaz

2 Células= componentes vivos e activos de todos os tecidos e orgãos Moléculas e sinais = orientam o desenvolvimento de tecidos Matrizes ou suportes = scaffolds= estruturas extra-celulares que alojam células e contém moléculas responsáveis por sinais Interacções 1 segundo depois da implantação de dispositivo aparecem proteínas na superfície Segundos a minutos forma-se monocamada de proteínas as células vêem uma camada de proteínas em vez da superfície do implante Interacção células proteínas as células respondem às proteínas da superfície: células crescem, recrutam novas células ou libertam compostos

3 Proteínas= constituintes essenciais dos organismos funções: - catalizadores das reacções orgânicas (enzimas) - esqueleto de suporte das células e dos organismos (queratina) - reguladores das expressão dos genes - transportadores de oxigénio (hemoglobina) Proteínas= aminoácidos ligados entre si linearmente em sequência específica através de ligações petídicas. Sequências de aminoácidos proteínas interacções propriedades físico-químicas e interacção c/superfícies depende do tipo de proteína (grupos mais ácidos, mais básicos) Estruturas tridimensionais Proteínas: - fibrosas- insolúveis nos solventes aquosos, peso molecular muito elevado; longas cadeias paralelas ao eixo da fibra (colagénio, fibrina (soro sanguíneo) e miosina (músculos) e tubulinas) - globulares - esféricas, solúveis nos solventes aquosos, peso molecular elevado (enzimas, transportadores-hemoglobina)

4 Proteínas: Glicoproteínas - Glúcidos Lipoproteínas - Lípidos (ácidos gordos, colesterol, triglicéridos, fosfolípidos) Nucleoproteínas - ácidos nucleicos Proteínas: interior- hidrófobo exterior- grupos amino-ácidos c/carga Proteínas estão presente no plasma sanguíneo e envolvidas na adsorção nos materiais implantados proteínas insolúveis como o colagénio não difunde para a superfície do implante são depositadas adjacentemente ao implante - cápsula fibrosa

5 ADSORÇÃO DE PROTEÍNAS NAS INTERFACES SÓLIDO-LIQUIDO essencialmente as proteínas são adsorvidas na superfície: concentração superfície 1000 vezes superior à concentração no interior - monocamada selectividade do processo - há competição pelos lugares disponíveis, limitação de espaço, enriquecimento com uma ou outra proteína: composição da superfície difere muito do interior Ex: polietileno exposto ao plasma sanguíneo fica rico em proteínas: albumina, hemoglobina, fibrinogénio Adsorção de proteínas é irreversível - proteínas ficam imobilizadas

6 Célula só adere às proteínas adsorvidas da superfície e não às proteínas do interior Ex: plaquetes aderem ao fibrinogénio adsorvido, mas não ao fibrinogénio dissolvido em solução Proteínas= triângulos e quadrados Célula só adere aos círculos da proteína na superfície e não às proteínas em solução Adsorção: em monocamada e competição pelos lugares na superfície superfícies variam na selectividade da adsorção actividade biológica das proteínas varia com superfícies diferentes

7 Orientação das proteínas influência a função das proteínas Reacções das proteínas na fase adsorvida podem ser covalentes e não covalentes Cinética na adsorção de proteínas: 1ª) fase rápida 2ª) mais lenta até estado estacionário- é díficil mais proteínas arranjarem lugar Aspectos importantes células e tecidos diferença entre regiões celulares especilização celular = diferenciação agrupamentos de células em tecidos básicos integração em tecidos específicos orgãos regeneração regulação e coordenação através da comunicação através de outras células, tecidos, orgãos

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9 Elementos estruturais= CÉLULAS E MATRIZ EXTRACELULAR CÉLULA = Compartimentos distintos (estrutura organizada) de proteínas complexas (incluindo enzimas) = organitos (organelles): núcleo contém a informação genética - com os cromossomas mitocôndria - produção de energia através da quebra de ligações de macromoléculas aparelho de Golgi síntese de pectina e de hemicelulose membrana plasmática glicoprotéinas e lipoproteínas retículo endoplasmático rede de canais, vesículas que percorre o citoplasma e estabelece continuidade com a membrana plasmática, local da síntese de proteínas usadas internamente exportadas envolvidas transporte celular (sintese de fosfolípidos e colesterol) citoplasma (cytosol) = solução aquosa = envolvente- no citoplasma há complexa rede de filamentos (citoesqueleto) de proteínas (actina e miosina) responsável por pontos de ancoragem de estruturas celulares Núcleo tem à sua volta duas membranas: 1) membrana nuclear 2) membrana do retículo endoplasmático

10 Membranas = lâminas finas com resistência mecânica (6 a 10 nm) 60% proteínas + 40% lípidos + glúcidos dupla camada (glicoproteínas, lipoproteínas e carbohidratos) Transporte através das membranas celulares Citoesqueleto- formado por microfilamentos de actina, miosina e tubulinas responsáveis pela adesão celular Microfilamentos da célula ligam-se a proteína (integrina) estas proteínas ligam-se a proteinas adsorvidas no substracto

11 Junção entre células - gap permite transporte de célula para célula de moléculas e iões - junções apertadas limitação da passagem de substâncias Interacções célula/célula ou célula/matriz extracelular: - especificidade molecular - reconhecimento - adesão - comunicação eléctrica e química - reorganização do citoesqueleto - migração celular Moléculas envolvidas na adesão celular: -moléculas dependentes de cálcio - moléculas indepentes de cálcio - integrina

12 Tipos de ligação entre células Tipos de adesão células/substracto

13 Adesão células/substracto focal adesão forte contacto próximo menos locais de adesão contactos da matriz extra-celular muitos vazios

14 A- Diferenciação celular: FUNÇÕES DAS CÉLULAS: absorção de nutrientes e assimilação respiração síntese de macromoléculas crescimento reprodução Há células com funções específicas complexas:excitabilidade, condutividade, absorção de moléculas não essenciais às células Exemplos: células musculares contém filamentos que escorregam uns sobre os outros para causar contracção do músculo sistema imunitário compostos por células especializadas: células atacadas por microrganismos (bactérias) há células especializadas (fagócitos) que detectam migram, ingerem ou destroem os microrganismos Fagócitos leucócitos absorvem bactérias linfócitos produzem anti-corpos

15 -Variações adaptativas que ocorrem na diferenciação celular podem ser irreversíveis Exemplo: -perda da capacidade de especialização e da capacidade de divisão -Células nervosas e do músculo cardíaco são altamente especializadas não se reproduzem nem se regeneram excepto no feto -Diferenciação celular informação genética (genótipo) ocaracterísticas físicas e biológicas de uma célula = fenótipo o Células respondem a estímulos: aumentar o número de células = hiperplasia aumentar o tamanho das células = hipertrofia (Ex: aumento do tamanho dos bicípites depois do exercício físico

16 MATRIZ EXTRACELULAR Funções da Matriz Extracelular: suporte mecânico para ancoragem das células determinação da orientação das células controlo do crescimento celular suporte para a renovação de tecidos armazenamento de moléculas regeneradoras Componentes da matriz podem: influenciar a manutenção dos fenótipos celulares afectar a forma das células e polaridade Células comunicam com vários componentes da matriz através de receptores superficiais e de proteínas nas membranas Células produzem e segregam moléculas da matriz Reciprocidade dinâmica = instruções entre células e matriz

17 MATRIZES EXTRACELULARES = MEC especializadas para certa função: -Resistência mecânica (tendões) - Filtração (rins) MEC= longas moléculas ligadas formando um compósito MEC composta por: 1)- fibras (colagénio e outras) 2)- matriz amorfa interfibrilar (glicoproteínas, solutos e água) 2) Tipos de matrizes: a) matriz intersticial formada por colagénio fibrilar+ ácido hialurónico b) matriz basal- estrutura 3D de colagénio

18 1) Componentes fibrilares da matriz extracelular ( aumentar resistência mecânica) ( COLAGÉNIO + FIBRAS ELÁSTICAS ) COLAGÉNIO = glicoproteína há 19 tipos diferentes -colagénio fibrilar tipo I abundante nos tecidos de ligação tipo II cartilagem -colagénio não fibrilar Ex: tipo IV FIBRAS ELÁSTICAS = fibras de elastina = conferem flexibilidade aos tecidos TECIDOS BÁSICOS -Desempenham papel funcional e têm aspectos microscópicos diferentes -Têm origem no desenvolvimento embrionário 3 camadas: camada exterior ectoderme camada interior endoderme camada média - mesoderme

19 Orgão tubular Paredes do estômago ou intestino vascularidade

20 TECIDOS (diferentes tipos de células): Epitélio Tecido conjuntivo / ligação Tecido muscular Tecido nervoso Epitélio cobre as superfícies internas e externas do corpo Actua como barreira protectora (epiderme da pele) gera secreções internas e externas (glândulas) Epitélio tem funções: membrana cutânea protectora (pele) membrana mucosa lubrificada por secreções glandulares (digestivas e respiratórias) membrana húmida lubrificada por fluidos derivados do plasma sanguíneo camada interior do sistema circulatório lubrificada pelo sangue (=endotelium)

21 o cardíaco Células epiteliais movimento de água, iões, macromoléculas Organização das células epiteliais inclui: canais iónicos, transporte de proteínas, enzimas, lípidos e junções complexas entre células na forma de monocamada Células epiteliais formam barreira entre compartimentos biológicos de orgãos 2) Tecido conjuntivo / ligação suporta os outros tecidos do corpo; desenvolve-se a partir da mesoderme Células do tecido conjuntivo (ex: fibroblastos) são: o responsáveis pela produção e manutenção da matriz extracelular o alojar nervos o alojar vasos sanguíneos 3) Tecido muscular desenvolve-se a partir da mesoderme; especializado na contracção (têm proteínas contrácteis) Células dos músculos são: o suaves - arranjo pouco compacto de microfilamentos (paredes dos vasos sanguíneos e paredes do sistema gástrico) o esqueleto

22 4) Tecido nervoso desenvolve-se a partir da ectoderme; especializado na excitabilidade e condução Células nervosas: o geram sinais eléctricos o segregam neurotransmissores (moléculas que ficam adjacentes a músculos ou nervos para transmitir impulso ou contrair) ORGÃOS diferentes tipos de tecidos arranjados numa unidade funcional formam um orgão Orgãos = estrutura compósita: - células epiteliais (função específica) - células do tecido conjuntivo (suporte) 2 tipos de orgãos: A) tubulares (vasos sanguíneos, sistema digestivo, urinário) B) compactos

23 Orgãos Tubulares - 3 camadas - mucosa - camada interna (epitelio+ tecido conjuntivo) - camada média (músculo e tecido conjuntivo) - serosa = camada exterior (tecido conjuntivo + epitélio) Vascularização dos tecidos tubulares = fornecimento de sangue Artérias penetram perependicular à camada exterior ramificam-se paralelamente às camadas de tecidos dividem-se em braços B) Orgãos Compactos - extensa estrutura de tecido conjuntivo rodeada por cápsula densa de tecido conjuntivo - estrutura complicada de células e matriz extracelular Vascularização abertura na cápsula por onde entra o sangue

24 Orgão compacto

25 Proliferação de células: REGENERAÇÃO CELULAR renovação proliferação contrabalança a perda de células (pele, osso); célula mãe dá filhas de diferentes tipos expansão baixa taxa de morte, com capacidade de se dividirem mediante estímulos (fígado, fibroblastos) estáticas ou permanentes não se proliferam e perderam a capacidade de se dividirem (músculos cardíacos); área de células danificada não prolifera; é reparada por tecido fibroso (tecido conjuntivo) que não tem capacidade de contrair COMUNICAÇÃO CELULAR regular o crescimento, diferenciação, metabolismo e tecidos Comunicação entre células: ligações directas entre células (químicas) longa distância (através de hormonas)

26 Sinais químicos = meio de comunicação importante a pequena e média distância 3 tipos de sinais químicos: mediadores químicos são segregados por muitas células; alguns são destruídos e só actuam em células do meio imediato hormonas produzidas e segregadas por células endocrínicas, viajam pelo fluxo sanguíneo e influenciam células alvo distantes neurotransmissores mediadores químicos a curta distância que actuam nas junções das células nervosas e entre as células nervosas e musculares Os sinais químicos influenciam as células alvo: alterando as propriedades das proteínas segregação contração (Ex: iniciando síntese de novas proteínas)

27 As células alvo são programadas para responder a cada sinal de forma diferente Ex: proteína receptora (recebe um sinal) numa célula alvo vai traduzir sinal activa-se uma enzima que gera moléculas segundas mensageiras segundas mensageiras vão controlar a função das proteínas internas PATOLOGIA DAS CÉLULAS células podem ficar danificadas ou morrer células hipo ou hiperactivas hiperactivas em relação a crescimento indevido (cancro)