Potencial terapêutico de vidros bioativos contendo nióbio ou gálio no tratamento de desordens ósseas : estudo experimental in vitro e in vivo

Orientador: José Angelo CamilliTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: Desordens musculoesqueléticas estão entre os acometimentos mais comuns a saúde humana com as fraturas ósseas se destacando como uma das mais debilitantes. Fraturas comprometem a qualidade de vida das pessoas e impõem significativa sobrecarga econômica a sociedade. O câncer ósseo, por sua vez, ocorre mais frequentemente em crianças e adultos jovens entre 5 e 20 anos de idade. Por ano cerca de 1000 novos casos de osteosarcoma (câncer ósseo) são diagnosticados só nos Estados Unidos. Por ano cerca de 1000 novos casos de osteosarcoma (câncer ósseo) são diagnosticados só nos Estados Unidos. Objetivando melhorar a qualidade do tratamento para essas condições nós alteramos a composição do vidro bioativo Bioglass®45S5 adicionando Dióxido de Nióbio (Nb2O5) ou Gálio (Ga). Nós buscamos dois diferentes objetivos principais: (1) aumentar a bioatividade do Bioglass®45S5 por meio da adição do Nb2O5 o que alteraria a estrutura interna do vidro, aumentando sua taxa de dissolução e consequentemente a formação da camada de hidroxiapatita sobre sua superfície a fim de ser usado para a regeneração de grandes fraturas; (2) produzir vidros bioativos capazes de liberar Gálio localmente, de uma forma controlada, para que este atue na regeneração de defeitos ósseos pós- osteotomia enquanto mata células cancerígenas remanescentes no local da lesão. Para alcançar esses objetivos nós conduzimos duas séries diferentes de estudos que estão apresentados nessa tese em duas partes. A parte um descreve três investigações que mostram que a adição do Nb2O5 a rede do Bioglass®45S5 produziu um vidros biocompatíveis, não genotóxicos e com bioatividade aumentada estimulando maior formação de osso subperiostal e a diferenciação de Células Tronco Embrionárias humanas (CTEs) e Células Mesenquimais derivadas da medula óssea. Além disso, esses vidros sofram capaz de proporcionar a regeneração de um defeito ósseo de 5 mm de diâmetro na calvária de ratos em 8 semanas. A segunda parte dessa tese mostra um estudo no qual nós investigamos o potencial da incorporação de Gálio em vidros bioativos biodegradáveis projetados especificamente para aplicações em câncer ósseo. Nós observamos que adição de 3% de Gálio promoveu a morte de mais de 50% das células de osteosarcoma (SAOS2 cells) sem afetar os osteoblastos saudáveis. Os vidros bioativos contendo gálio fornecem uma entrega controlada e local de íons gálio no sítio da fratura e tem potencial considerável em aplicações clínicas para o tratamento de câncer ósseo. Nós acreditamos que através do desenvolvimento de novos biomateriais para substituição óssea nosso estudo irá contribuir para a redução da morbidade e melhorar o prognóstico de milhões de vítimas de fraturas. Além disso, o conhecimento gerado pelo presente trabalho vem a aumentar a compreensão acerca da interação entre substitutos ósseos sintéticos e o tecido ósseo lesado, esclarecendo as respostas do corpo a presença de vidros bioativos contendo Nióbio ou Gálio. Assim, o presente estudo fomenta a literatura com informação relevante para prática clínica e futuras investigaçõesAbstract: Musculoskeletal disorders are the most widespread human health issue with bone fractures standing among the most debilitating ones. Bone fractures compromises the quality of life of people and cause significant economic burden to society. On the other hand, bone cancer occurs most frequently in children and young adults between the age of 5 and 20 years, but may also grow in the elderly. Each year, about 1,000 new cases of osteosarcoma are diagnosed in the United States alone.Aiming to improve the quality of the treatment for these conditions we altered the composition of the Bioglass®45S5 adding Niobium Dioxide (Nb2O5) or Gallium (Ga). We targeted two different main goals: (1) increase the bioactivity of the Bioglass®45S5 by means of doping it with Nb2O5 which would alter the glass¿ internal structure, enhancing its dissolution rate and consequently the formation of a hydroxyapatite-like layer on its surface in order to use it for the regeneration of large fractures; (2) to produce a Ga-doped bioactive glass that can locally release gallium in a controlled manner to regenerate post-osteotomy defects whilst killing any remainder cancer cell. To meet these goals we conducted two different series of studies that are displayed in this thesis in two parts. Part one describes three investigations that show that the addition of Nb2O5 into Bioglass®45S5 produced biocompatible, non-genotoxic glasses which stimulated greater subperiosteal bone formation and the differentiation of Embryonic Stem Cells (ESCs) and bone marrow- derived Mesenchymal Stem Cells (BM-MSCs). Furthermore one composition of Nb-doped glass was able to regenerate a 5-mm size calvarial defect in rats after 8 weeks. The second part of this thesis shows a study in which we investigated the potential of incorporating gallium into bio-degradable bioactive glasses specifically targeted towards bone cancer applications. We observed that adding 3% of gallium killed more than 50% of the osteosarcoma cells (SAOS2) whilst it did not affect healthy human osteoblasts. The gallium doped bioactive glasses provide a localised controlled delivery of gallium ions at the surgical site of interest and has considerable potential clinical applications for bone cancer treatment. We believe that developing novel biomaterials for bone replacement our study will reduce the morbidity and to improve the prognostic of millions of victims of fractures. Nonetheless, the knowledge generated by the present work comes to improve the comprehension about the interaction between the synthetic bone substitutes and the injured bone tissue, clarifying the responses of the body in the presence of the Nb or Ga- doped bioactive glasses. Thus, the present study foments the literature with relevant information for clinic practise and further investigationsDoutoradoAnatomiaDoutor em Biologia Celular e Estrutural141210/2017-6CNP

Potencial terapêutico de vidros bioativos contendo nióbio ou gálio no tratamento de desordens ósseas : estudo experimental in vitro e in vivo

Orientador: José Angelo CamilliTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: Desordens musculoesqueléticas estão entre os acometimentos mais comuns a saúde humana com as fraturas ósseas se destacando como uma das mais debilitantes. Fraturas comprometem a qualidade de vida das pessoas e impõem significativa sobrecarga econômica a sociedade. O câncer ósseo, por sua vez, ocorre mais frequentemente em crianças e adultos jovens entre 5 e 20 anos de idade. Por ano cerca de 1000 novos casos de osteosarcoma (câncer ósseo) são diagnosticados só nos Estados Unidos. Por ano cerca de 1000 novos casos de osteosarcoma (câncer ósseo) são diagnosticados só nos Estados Unidos. Objetivando melhorar a qualidade do tratamento para essas condições nós alteramos a composição do vidro bioativo Bioglass®45S5 adicionando Dióxido de Nióbio (Nb2O5) ou Gálio (Ga). Nós buscamos dois diferentes objetivos principais: (1) aumentar a bioatividade do Bioglass®45S5 por meio da adição do Nb2O5 o que alteraria a estrutura interna do vidro, aumentando sua taxa de dissolução e consequentemente a formação da camada de hidroxiapatita sobre sua superfície a fim de ser usado para a regeneração de grandes fraturas; (2) produzir vidros bioativos capazes de liberar Gálio localmente, de uma forma controlada, para que este atue na regeneração de defeitos ósseos pós- osteotomia enquanto mata células cancerígenas remanescentes no local da lesão. Para alcançar esses objetivos nós conduzimos duas séries diferentes de estudos que estão apresentados nessa tese em duas partes. A parte um descreve três investigações que mostram que a adição do Nb2O5 a rede do Bioglass®45S5 produziu um vidros biocompatíveis, não genotóxicos e com bioatividade aumentada estimulando maior formação de osso subperiostal e a diferenciação de Células Tronco Embrionárias humanas (CTEs) e Células Mesenquimais derivadas da medula óssea. Além disso, esses vidros sofram capaz de proporcionar a regeneração de um defeito ósseo de 5 mm de diâmetro na calvária de ratos em 8 semanas. A segunda parte dessa tese mostra um estudo no qual nós investigamos o potencial da incorporação de Gálio em vidros bioativos biodegradáveis projetados especificamente para aplicações em câncer ósseo. Nós observamos que adição de 3% de Gálio promoveu a morte de mais de 50% das células de osteosarcoma (SAOS2 cells) sem afetar os osteoblastos saudáveis. Os vidros bioativos contendo gálio fornecem uma entrega controlada e local de íons gálio no sítio da fratura e tem potencial considerável em aplicações clínicas para o tratamento de câncer ósseo. Nós acreditamos que através do desenvolvimento de novos biomateriais para substituição óssea nosso estudo irá contribuir para a redução da morbidade e melhorar o prognóstico de milhões de vítimas de fraturas. Além disso, o conhecimento gerado pelo presente trabalho vem a aumentar a compreensão acerca da interação entre substitutos ósseos sintéticos e o tecido ósseo lesado, esclarecendo as respostas do corpo a presença de vidros bioativos contendo Nióbio ou Gálio. Assim, o presente estudo fomenta a literatura com informação relevante para prática clínica e futuras investigaçõesAbstract: Musculoskeletal disorders are the most widespread human health issue with bone fractures standing among the most debilitating ones. Bone fractures compromises the quality of life of people and cause significant economic burden to society. On the other hand, bone cancer occurs most frequently in children and young adults between the age of 5 and 20 years, but may also grow in the elderly. Each year, about 1,000 new cases of osteosarcoma are diagnosed in the United States alone.Aiming to improve the quality of the treatment for these conditions we altered the composition of the Bioglass®45S5 adding Niobium Dioxide (Nb2O5) or Gallium (Ga). We targeted two different main goals: (1) increase the bioactivity of the Bioglass®45S5 by means of doping it with Nb2O5 which would alter the glass¿ internal structure, enhancing its dissolution rate and consequently the formation of a hydroxyapatite-like layer on its surface in order to use it for the regeneration of large fractures; (2) to produce a Ga-doped bioactive glass that can locally release gallium in a controlled manner to regenerate post-osteotomy defects whilst killing any remainder cancer cell. To meet these goals we conducted two different series of studies that are displayed in this thesis in two parts. Part one describes three investigations that show that the addition of Nb2O5 into Bioglass®45S5 produced biocompatible, non-genotoxic glasses which stimulated greater subperiosteal bone formation and the differentiation of Embryonic Stem Cells (ESCs) and bone marrow- derived Mesenchymal Stem Cells (BM-MSCs). Furthermore one composition of Nb-doped glass was able to regenerate a 5-mm size calvarial defect in rats after 8 weeks. The second part of this thesis shows a study in which we investigated the potential of incorporating gallium into bio-degradable bioactive glasses specifically targeted towards bone cancer applications. We observed that adding 3% of gallium killed more than 50% of the osteosarcoma cells (SAOS2) whilst it did not affect healthy human osteoblasts. The gallium doped bioactive glasses provide a localised controlled delivery of gallium ions at the surgical site of interest and has considerable potential clinical applications for bone cancer treatment. We believe that developing novel biomaterials for bone replacement our study will reduce the morbidity and to improve the prognostic of millions of victims of fractures. Nonetheless, the knowledge generated by the present work comes to improve the comprehension about the interaction between the synthetic bone substitutes and the injured bone tissue, clarifying the responses of the body in the presence of the Nb or Ga- doped bioactive glasses. Thus, the present study foments the literature with relevant information for clinic practise and further investigationsDoutoradoAnatomiaDoutor em Biologia Celular e Estrutural141210/2017-6CNP

Bioactivity of glasses composed by niobium : an experimental in vivo study

Orientador: José Angelo CamilliDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: Alguns estudos mostram que a introdução do óxido de nióbio (Nb2O5) na composição do Bioglass® poderia ser uma solução para melhorar sua resistência mecânica, mantendo sua biocompatibilidade e bioatividade, porém, apesar da melhora na resistência mecânica causada pela adição deste óxido ser bem documentada na literatura, suas propriedades bioativas ainda são pouco conhecidas. Neste contexto, o objetivo do presente estudo foi avaliar experimentalmente as propriedades bioativas do óxido de nióbio em ratos albinos (Rattus norvegius) da linhagem Wistar. Para isso, bastões vítreos compostos por diferentes concentrações do Nb2O5 foram implantados na tíbia de ratos. Além disso, cada vidro teste, na forma de pó, foi implantado no músculo de ratos para análise de suas propriedades pró-angiogênicas, usando o Bioglass 45S5 (Bioglass®) como controle. As eutanásias foram realizadas 14 e 28 dias pós-cirurgias. Lâminas histológicas de cortes transversais das tíbias foram coradas a H&E para mensuração da área de osso subperiostal existente na cortical adjacente ao implante e a quantidade de osso esponjoso formado ao redor do bastão vítreo nos grupos de 14 dias, bem como da espessura da lâmina óssea formada ao redor do bastão nos grupos de 28 dias. Foi ainda realizada marcação imuno-histoquímica e a razão entre a área total do implante em mm2 e o número total de vasos sanguíneos contados manualmente num aumento de 400x para verificação a capacidade do material de estimular a angiogênese. A avaliação histológica revelou a ausência total de inflamação tanto após 14 quanto após 28 dias de implante. Os resultados das comparações entre as áreas de osso subperiostal dos grupos após 14 e 28 dias (feitas através de um teste ANOVA com post hoc tukey) e da quantidade de osso esponjoso formado ao redor do implante nos grupos 14 dias (feitas através do teste Kruskal-Wallis com Mann-Whitney como post hoc) mostraram que o BGPN1.3 apresentou maior capacidade de induzir a formação óssea do que o grupo controle, já com relação ao número de vasos sanguíneos e espessura da lâmina óssea formada ao redor do implante todos os grupos apresentaram resultado semelhantes. Assim, se concluiu que o BGPN1.3 trata-se de um material inovador por ser biocompatível, apresentar propriedade osteoindutiva superior e capacidade pró-angiogênica semelhante ao Bioglass®Abstract: Some studies show that the introduction of niobium oxide (Nb2O5) into Bioglass® composition could be a solution to improve its mechanical strength while maintaining its biocompatibility and bioactivity, but in spite of improvement in resistance caused by addition of the oxide is well documented in the literature, their bioactive properties are still poorly known. In this context, the aim of this study was to experimentally evaluate the bioactive properties of niobium oxide in albino rats (Rattus norvegius). For this, glassy rods composed of different concentrations of Nb2O5 were implanted in the rats¿ tibia. In addition, each test glass in powder form was implanted into the muscle of mouse for analysis of their pro-angiogenic properties using 45S5 Bioglass (Bioglass®) as control. Euthanasia were performed 14 and 28 days post-surgery. Histological slides of cross sections of tibiae were H & E stained for measuring the area of existing subperiosteal bone in adjacent to the implant and the amount of cancellous bone formed around the vitreous rod after 14 days pos-surgery as well as the thickness of the formed bone sheet around the rod in groups of 28 days. It was also performed immunohistochemical staining to calculate the ratio between the total area in mm2 of the implant and the total number of blood vessels, counted manually using a magnification of 400x, to check the capacity of the material to stimulate angiogenesis. Histological evaluation revealed the complete absence of inflammation after both 14 and after 28 days of implantation. The results of the comparisons between the areas of subperiosteal bone of groups after 14 and 28 days (made by an ANOVA with Tukey post hoc test) and the amount of cancellous bone formation around the implant in the groups 14 days (done by Kruskal -Wallis with Mann-Whitney post hoc) revealed that BGPN1.3 showed greater ability to induce bone formation than the control group, when compared the number of blood vessels and thickness of the blade bone formed around the implant all groups showed similar results. Thus, we concluded that BGPN1.3 is an innovative material to be biocompatible and display better osteoinductive property than Bioglass® showing similar pro-angiogenic capacityMestradoAnatomiaMestre em Biologia Celular e Estrutura