Evaluación del efecto de la estimulación con campos eléctricos sobre condrocitos cultivados en monocapa

Abstract

Los campos eléctricos han sido una herramienta utilizada por la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa para recuperar el cartílago articular. Varios procedimientos in vitro se han llevado a cabo y han evidenciado el incremento en la proliferación celular y síntesis de las principales moléculas que componen la matriz extracelular del cartílago articular, tales como los glicosaminoglicanos. Aunque se han reportado varios trabajos sobre el efecto de los campos eléctricos en condrocitos, no hay similitud en los datos obtenidos. Esto se debe a que hay un gran rango tanto de campos eléctricos como de tiempos de tiempos de estimulación para obtener la mejor tasa de proliferación celular y síntesis molecular. Además, no se ha implementado un esquema que genere y distribuya el campo eléctrico sobre toda la superficie de cultivo celular. Por lo tanto, este trabajo tiene como objetivo estudiar tanto experimental como computacionalmente la dinámica celular de condrocitos cultivados en monocapa en ausencia y presencia de campos eléctricos. Los resultados obtenidos al analizar la dinámica celular de los condrocitos en ausencia de campos eléctricos indican que un modelo computacional, como lo es un autómata celular, predice de manera eficaz el comportamiento de condrocitos cultivados en monocapa: Migración, proliferación y muerte celular. Los resultados computacionales concuerdan con los datos experimentales y proveen información adicional para mejorar y optimizar los procedimientos in vitro. Por otro lado, al aplicar campos eléctricos a los cultivos celulares los resultados indican que tanto la intensidad del campo eléctrico como el tiempo de estimulación por día son variables que deben ser combinadas para duplicar la población del cultivo celular o estimular la síntesis de glicosaminoglicanos. Adicionalmente, los dispositivos implementados en ésta investigación permiten calcular, generar y distribuir el campo eléctrico sobre toda la superficie del cultivo celular. En conclusión, tanto los modelos computacionales validados experimentalmente como el uso de campos eléctricos, para aumentar la población celular o estimular la síntesis de glicosaminoglicanos, permiten mejorar y optimizar los tratamientos llevados a cabo por la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa para regenerar el cartílago articular lesionado.

Abstract. Electric fields have been a used tool by tissue engineering and regenerative medicine to regenerate articular cartilage. Several in vitro procedures have been carried out and have evidenced the increase in cell proliferation and synthesis of main molecules that compound articular cartilage extracellular matrix, such as glycosaminoglycans. Although have been reported several in vitro experiments about the effect of electric flies in chondrocytes, there is not agreement in the data obtained. This because, there is a wide range of both electric fields intensities and stimulation times in order to obtain the best cell proliferation and molecular synthesis rate. Moreover, a scheme to generate and distribute the electric field over the whole cell culture surface has been no implemented. Therefore, the aim of this work is study computational and experimentally the in vitro chondrocyte cell dynamic in presence and absence of electric fields. Analyzing the results obtained of cell dynamics in absence of electric fields, we conclude that a computational model, such as cellular automaton, predicts efficiently the cell behavior of chondrocytes cultured in monolayer: Migration, proliferation and cell death. Computational results are in agreement with experimental data and provide additional information to improve and optimize in vitro procedures. On the other hand, applying electric fields to the cell cultures the results indicate that both electric field intensity and stimulation time per day are variables that should be combined to duplicate cell culture population or stimulate glycosaminoglycan synthesis. In addition, the devices implemented in this research allow calculating, generating and distributing homogenously the electric field over the cell cultures. In conclusion, the computational models validated experimentally and the use of electric fields, to increase cell population and stimulate glycosaminoglycan synthesis, allow improving and optimizing the treatment carried out by tissue engineering and regenerative medicine to regenerate articular cartilage injuries.