Modelo computacional y experimental del comportamiento mecánico y biológico de fibroblastos aislados del ligamento colateral de la rodilla expuestos a estímulos biofísicos del ultrasonido

Abstract

El objetivo de esta tesis fue modelar computacional y experimentalmente el comportamiento mecánico y biológico de fibroblastos del ligamento colateral de la rodilla expuestos a estímulos biofísicos del ultrasonido. Tratamiento con ultrasonido pulsátil a una frecuencia de 1.0 MHz con dos intensidades diferentes 1.0 W/cm2 (Grupo A) y 2.0 W/cm2 (Grupo B) fue aplicado cada 24 horas por cinco días a cultivos monocapa de fibroblastos de ligamento. Un grupo control no recibió tratamiento (Grupo C). La autora midió el módulo de elasticidad celular a través del ensayo con Microscopio de Fuerza Atómica (AFM), armónicos utilizando el Método de los Elementos Finitos (FEM), viabilidad a través de la técnica de citometría de flujo, proliferación por medio de un ensayo colorimétrico (MTS), síntesis de colágeno tipo I y III, y fibronectina mediante el Ensayo de Inmunoabsorbancia Ligado a Enzimas (ELISA), y migración celular a través del ensayo de lesión por raspado. Los resultados mostraron una disminución en el módulo de elasticidad (22% y 32%, p0.05), en los armónicos (20% y 20%) y en la viabilidad celular (1% y 10%) para la baja y alta intensidad, respectivamente. La proliferación celular fue aumentada 10% (Grupo A) y disminuida 13% (Grupo B) (p0.05). El colágeno tipo I fue aumentado 100% para la alta intensidad, y no hubo expresión de colágeno tipo III para la baja intensidad ni para el grupo control. La producción de fibronectina fue aumentada 79% (Grupo A) y 61% (Grupo B). Se comprobó que la disminución del módulo de elasticidad se produjo por una reorganización del citoesqueleto de la célula para 1) proliferar y migrar (aumento del 4%) a la zona de lesión ante baja intensidad de tratamiento y para 2) producir matriz extracelular en la zona de lesión y por tanto disminuir la migración celular (11%) para el tratamiento con alta intensidad (p0.05). Estos hallazgos mostraron que baja dosis de ultrasonido puede estimular la etapa temprana o regenerativa de reparación y alta dosis de tratamiento estimula la etapa tardía o de remodelado. Este trabajo sugiere que el ultrasonido pulsátil estimula a las células para mejorar el proceso de reparación de los ligamentos.

Abstract: The aim of this thesis was develop a computational modeling and in vitro testing of the mechanical and biological properties of collateral knee ligament fibroblasts treated with therapeutic ultrasound. Pulsed ultrasound at 1.0 MHz with two different intensities 1.0 W/cm2 (Group A) and 2.0 W/cm2 (Group B) was applied every 24 hours for five days to ligament fibroblasts monolayer cultured. Group C was untreated control group. The author measured cell elastic modulus using an Atomic Force Microscopy (AFM) testing, harmonics with Finite Element Method (FEM), viability by flow cytometry analysis, proliferation via colorimetric assay (MTS), synthesis of type I, type III collagen and fibronectin using the Enzyme Linked Immunosorbent Assay (ELISA) assay, and cell migration through wound scratch assay. The results showed a decreased cell elastic modulus (22% and 31%, p0.05), harmonics (20% and 20%), and viability (1% and 10%) due low and high intensity, respectively. Cell proliferation was raised 10% (Group A) and diminished 13% (Group B) (p0.05). Type I collagen was increased 100% for high intensity, and no detectable type III collagen for low intensity and control group was observed. Fibronectin production was increased 79% (Group A) and 61% (Group B). It was showed that elastic modulus was decreased due cytoskeleton rearrangement to allow cell 1) migration (increased 4%) for low intensity and 2) production of extracellular matrix for high intensity stimulation, thus migration decreased 11% (p0.05). These findings showed that low dose of ultrasound may improve early or regenerative stage of healing and high dose may stimulate late or remodeling phase. This work argued that pulsed therapeutic ultrasound might be used to stimulate cells to improve the ligament healing process.