Hydroxyapatite porous structures for bone tissue engineering

Esta dissertação teve como objetivo o desenvolvimento de espumas porosas de hidroxiapatite (HA) baseadas em réplicas invertidas de cristais coloidais (ICC) para substituição óssea. Um ICC é uma estrutura tridimensional de elevada porosidade que apresenta uma rede interconectada de poros com elevada uniformidade de tamanhos. Este tipo de arquitetura possibilita uma proliferação celular homogénea e superiores propriedades mecânicas quando comparada com espumas de geometria não uniforme. O cristal coloidal (CC) - o molde da espuma - foi criado por empacotamento de microesferas de poliestireno (270 μm) produzidas por microfluídica e posterior tratamento térmico. O molde foi impregnado com um gel de hidroxiapatite produzido via sol-gel utilizando pentóxido de fósforo e nitrato de cálcio tetrahidratado como percursores de fósforo e cálcio, respectivamente. A espuma cerâmica foi obtida num único passo depois de um tratamento térmico a 1100oC que permitiu a solidificação do gel e a remoção do CC. A análise por espetroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR) e difração de raios-X (XRD) revelou uma hidroxiapatite carbonatada tipo A com presença de fosfatos tricálcicos. As propriedades mecânicas foram avaliadas por testes de compressão. A biocompatibilidade in vitro foi demonstrada através de testes de adesão e proliferação celular de osteoblastos.

The influence of menopausal status on bone turnover and disease control in breast cancer patients with metastatic bone disease treated with chemotherapy plus zoledronic acid : an exploratory retrospective cohort study

RESUMO: Introdução: Uma meta-análise recente demonstrou que uso adjuvante de ácido zoledrónico (AZ) em mulheres pós-menopáusicas com cancro da mama precoce (CM) conduz a redução do risco de morte por CM em 17%. Investigámos o efeito do estado hormonal (pré [PrM] vs pós-menopausa tardia [PoM]) na remodelação óssea e controlo de doença em mulheres com CM e metástases ósseas (MO) tratadas com AZ e quimioterapia (QT). Métodos: Neste estudo de coorte retrospetivo, colhemos variáveis clinico-patológicas e quantificámos o telopéptido N-terminal (NTX) urinário e marcadores tumorais (MT) séricos em mulheres com CM e MO tratadas com QT e AZ. As doentes foram divididas em PrM (<45 anos) e PoM (>60 anos). Endpoints do estudo: variação do NTX, CA15.3 e CEA nos meses 3, 6 e 9, tempo até falência de QT de primeira-linha e sobrevivência. Quando apropriado foram usados os testes de Wilcoxon rank-sum, modelo de efeitos lineares mistos, teste log-rank e modelo de Cox. Resultados: Quarenta doentes foram elegíveis para análise (8 PrM e 32 PoM). Depois da introdução de AZ e QT, os níveis de NTX e MT caíram no coorte global. O perfil de resposta não diferiu entre grupos no mês 3 ou em tempos posteriores (valor-p para interação tempo-estado hormonal no mês 3=0.957). Ademais, o perfil de resposta dos MT também não diferiu entre grupos. O tempo mediano até falência de primeira-linha de QT em PrM e PoM foi de 15.2 e 17.4 meses, respetivamente. Não foi identificada diferença significativa entre grupos, quer em análise univariada quer após controlo para envolvimento visceral (p=0.399 e 0.469, respetivamente). Igualmente, não houve diferenças em termos de sobrevivência. Conclusões: Neste coorte, não foram identificadas diferenças no controlo de NTX ou MT em função do estado menopausico. Igualmente, não foi identificada diferença no tempo até falência de primeira-linha de CT ou sobrevivência.----------- ABSTRACT: Background: A recent meta-analysis showed that the adjuvant use of zoledronic acid (ZA) in postmenopausal women with early breast cancer (BC) leads to a reduction in the risk of breast cancer death by 17%. We investigated the effect of the hormonal status (pre [PrM] vs late post menopause [PoM]) on bone turnover and disease control among women with BC and boné metastases (BM) treated with ZA and chemotherapy (CT). Methods: In this retrospective cohort study, we collected clinicopathologic variables, urinary Nterminal telopeptide (NTX) and serum tumor marker levels from women with BC and BM treated with CT and ZA. Patients were divided in PrM (<45 years) and PoM (>60 years). Study endpoints were NTX, CA15.3 and CEA variation at 3, 6 and 9 months, and time to first-line CT failure and survival. We performed multilevel mixed-effects linear regression models to assess the variation of repeated measures and cox regression models for time to event outcomes. Results: Forty patients were eligible for analysis (8 PrM and 32 PoM). After introduction of ZA and CT, NTX and tumor markers declined in the overall cohort. Response profile was similar between menopausal groups at month 3 and at later time points (p-value for time-hormonal status interaction at month 3=0.957). Furthermore, tumor markers response profile was also equal between groups. Median time to first-line CT failure in PrM and PoM women was 15.2 and 17.4 months, respectively. No significant difference between groups was found, either using a univariate analysis or after controlling for visceral disease involvement (p=0.399 and 0.469, respectively). Likewise, no differences in survival were found. Conclusions: In this cohort, no differences were found in terms of NTX or tumor markers control according to menopausal status. Similarly, no difference in time to first-line CT failure or survival was found.

Microvascularização arterial da cóclea

RESUMO: Na descrição deste estudo foi utilizada a terminologia anatómica da Sociedade Brasileira de Anatomia adaptada ao português por J. A. Esperança-Pina de acordo com o tratado Anatomia Humana da Relação. Os actuais estudos sobre hipoacusia sensorioneural implicam um grupo crescente de situações, em que a lesão se situa ao nível da microvascularização coclear, daí que o conhecimento exacto da angiomorfologia normal se torne essencial na fase actual do conhecimento. A autora tem vindo a estudar, desde 1986, a angiomorfologia do ouvido Interno no modelo experimental, o Cobaio, utilizando várias técnicas microvasculares. sendo dado enfâse particular neste estudo à técnica de microscopia electrónica de varrimento em moldes vasculares. Os animais usados no presente estudo pertencem à espécie cavia porcellus, cobaio, por serem considerados na comunidade cientifica internacional como o melhor modelo experimental para estudo do ouvido interno, pelo facto de a morfologia coclear ser muito semelhante à do Homem e por isso ser um modelo fiável para cirurgia experimental e microdissecção. Este estudo foi realizado em 100 cobaios, cavia porcellus, de ambos os sexos com peso médio de 450g. A vascularização do ouvido interno, no cobaio como no homem, faz-se através dos ramos de divisão da artéria auditiva interna ou labiríntica. A artéria labiríntica origina-se como ramo colateral da artéria cerebelosa ântero-inferior a qual tem origem na artéria basilar ou na artéria vertebral. Embora no homem a artéria auditiva interna possa também destacar-se da artéria basilar e até da artéria vertebral, no cobaio em todos os casos estudados a sua origem verificou-se sempre na artéria cerebelosa ântero-inferior. A artéria labiríntica, ao passar abaixo do meato auditivo interno, divide-se na artéria vestibular anterior e na artéria coclear comum.A artéria vestibular anterior dirige-se para o nervo vestibular, emite vasa nervorum para este nervo e vasculariza o utrículo e os canais semicirculares. A artéria coclear comum origina dois ramos principais, a artéria vestíbulo‑coclear ou vestibular posterior no cobaio, a qual se destaca junto à espira basal da cóclea e a artéria coclear, como ramo terminal, que passa a denominar-se de artéria modiolar ou espiralada, após entrar no modíolo. A artéria modiolar ascende no modíolo promovendo através dos seus ramos colaterais e dos seus ramos terminais a microvascularização coclear, numa vascularização de órgão de tipo terminal. Ao longo do seu trajecto verificou‑se de modo constante uma redução gradual de calibre em cada uma das espiras, por emissão de ramos colaterais, sendo que o calibre da artéria na base da cóclea apresenta um valor que diminui gradualmente até ao ápice. A artéria modiolar origina em todo o seu trajecto ramos colaterais, cujo número diminui em valor absoluto da base para o ápice: Arteríolas radiárias internas, arteríolas de trajecto flexuoso que caminham junto às estruturas sensorioneurais da parede interna da cóclea, junto ao lábio timpânico da lâmina espiral óssea e na parede do próprio modíolo, que se relacionam intimamente com este. As arteríolas radiárias internas originam‑se no flanco da artéria modiolar espiralada. Contam‑se dez a doze em cada espira, extraordinariamente flexuosas desde a sua origem. As arteríolas radiárias internas originam como ramos colaterais, vários grupos de arteríolas de menor calibre, que vascularizam distintas regiões da parede interna da cóclea, as arteríolas do gânglio espiral, a rede espiral interna, as arteríolas de origem dos glomérulos de Schwalbe e a arteríola da lâmina basilar. As arteríolas radiárias externas importantes ramos colaterais da artéria modiolar espiralada promovem a vascularização de importantes estruturas da parede externa. Ao atingir o limite externo do ligamento espiral, as arteríolas radiárias externas dividem‑se em vários ramos arteriolares de menor calibre, ao longo da convexidade do limite externo do ligamento espiral, originando a rede capilar pós-estriada que ocupa a porção lateral do ligamento espiral e a rede capilar ad‑ -estriada, na sua porção mais medial em íntima relação com a estria vascular. A espira basal da cóclea apresenta grande riqueza de vascularização, com características particulares apenas a esta espira, a qual é metabolicamente a mais exigente. A arteríola da janela da cóclea aborda a janela da cóclea pela sua convexidade e divide-se numa rica rede vascular da qual emergem arteríolas pré-capilares que se ramificam em capilares, os quais se dirigem em profundidade penetrando a rampa timpânica da cóclea ao nível da espira basal. Importou neste estudo verificar quais as semelhanças em termos de calibre de estruturas análogas, na parede interna e na parede externa da cóclea, com particular incidência na rede capilar. Do estudo estatístico realizado com testes paramétricos de Tamahane e não paramétricos de Mann-Whitney, verifica-se que comparando todas as estruturas consideradas estas têm calibres diferentes, com excepção dos capilares da estria vascular e do ligamento espiral, pertencentes à parede externa da cóclea que têm calibres iguais aos capilares da rede espiral interna e aos capilares da parede interna da cóclea, dependentes das arteríolas da rede espiral interna. As redes capilares dependentes das arteríolas radiárias internas que vascularizam as estruturas sensorioneurais junto á parede interna do modiolo são em tudo semelhantes em termos de calibre às redes capilares da parede externa da cóclea, incluindo os capilares da estria vascular. Esta particularidade traduz num órgão com vascularização de tipo terminal,um mecanismo de controlo do fluxo sanguíneo coclear tão importante na parede interna como na parede externa da cóclea. ------------ ABSTRACT:Current studies on sensorineural hearing loss, imply a growing group of situations in which the lesion is located at the level of the cochlear microvasculature, hence the exact knowledge of normal angiomorfology becomes essential in current state of knowledge. The author has been studying since 1986, the angiomorfology of inner on the experimental model, the guinea pig, using various microvascular techniques being given particular emphasis in this study to the results of the technique of scanning electron microscopy on corrosion casts. The animals used in this study belong to the species cavia porcellus, guinea pig, to be considered in the international scientific community as the best experimental model for the study of the inner ear, the cochlear morphology is very similar to human and therefore a reliable model for experimental surgery and microdissection. This study was performed in 100 guinea pigs of both sexes with average weight of 450g. There shall be a brief description of embryology, anatomy and cochlear physiology in the light of developmental biology, regarding also the spatial location of the cochlea and the determinism of morphogenetic fields in their development and function. The cochlear transduction mechanism converts the sound wave in stimuli sound and so afferent auditory nerve fibres and deafness are closely related to the cochlear microvasculature. Cochlear ischemia is accompanied by immediate hearing loss. The different type of cochlear injury that leads to sensorineural deafness is well studied in presbycusis where an objective link with the audiometric pattern as been established. The sensory type of deafness, is closely related to the degeneracy of the organ of Corti and damage to the outer hair cells at the basal turn of the cochlea. Keeping in mind cochlear tonotopy with location of high frequency sounds at the level of the base of the cochlea, it explains the audiometric pattern with loss in high frequencies. The neural type of deafness, is characterized by neuronal loss with loss of descendant important neuronal afferents, with audiometric translation on a gradually curve with important loss of auditory discrimination. The metabolic type of deafness results in atrophy of the vascular stria, with consequent change in the potential of the endolymph by decreasing the vascular stria cells and changes in K + recycling mechanism. There is also a change in the morphology of the spiral ligament and the audiometric patern as a flattened curve with loss at all frequencies. Bearing in mind cochlear tonotopy and being characterized all types of sensorineural deafness, we may inquire to what extent the cochlear microvasculature, considering not only the cochlea as a whole but different regions of the inner wall and the outer wall of the cochlea, contributes to deafness. We analysed the entire cochlear morphology on scanning electron microscopy with particular emphasis on bone and membranous cochlea. The inner wall of the cochlea and intramodiolar structures such as the spiral ganglion, the morphology of its cell bodies and their axons are analyzed. The morphology of Corti’s organ is described in detail, with description and large detail of the inner and outer hair cells. Is then presented the study of the microvasculature itself. The spiral modiolar artery is observed with the diaphanization technique and the technique of scanning electron microscopy on corrosion vascular casts. After emergence of collateral branches of the greatest importance, the radiating internal and external arterioles, the modiolar artery gives rise to its terminal branches, the arterioles of the cochear apex. Arterial vasa vasorum and vasa nervorum are displayed with a great detail, which was not yet described in such detail in previous microvascular studies. The arterial radiating arterioles originate in the flank of the spiral modiolar artery in number of ten to twelve in each loop, and they vascularize through their branches the inner wall cochlear sensorineural structures located in the modiolus as the spiral ganglion and structures near the organ of Corti. Their caliber is above 20 μm on the basal turn and in the second loop it decreases to values between 12 and 20 μm, decreasing progressively to the apex of the cochlea.They arise near the modiolus or on their way in the spiral lamina forming vascular loops, and divide without presenting vascular constrictions in their divisions, originating new vascular loops of lower caliber. Internal ratiating arterioles originate as collateral branches several groups of smaller caliber arterioles, which vascularize distinct regions of the inner wall of the cochlea namely, the arterioles of the spiral ganglion, the internal spiral network, the arterioles of origin of the glomeruli of Schwalbe and the arterioles of the basilar membrane. The glomeruli of Schwalbe play an important functional role as relay-stations, in hemodynamic terms, to control the cochlear microvasculature. External radiating arterioles have their origin in the spiral modiolar artery, they are directed towards the outer wall of the cochlea and run through the roof of the scala vestibuli. Above the insertion of Reissner’s membrane on the external wall the external radiating arterioles originate the spiral ligament arterioles, which vascularize the spiral ligament, they divide into several arteriolar branches of smaller caliber, along the convexity of the outer edge of the spiral ligament. The connective tissue of the spiral ligament forms a mesh with supporting function of the highly specialized epithelium, where pericytes were identifiable. Next to its base there is the microvascular network of stria vascularis. The adstriated vascular network which is divided into a capillary network, the capillary network of stria vascularis. The stria vascularis, the only vascularized epithelium of the human body, plays an important role, forming an haemato-labyrintine barrier to assure labyrinthine endocochlear potential and transport of ions, essential for the mechanism of transduction of external hair cells. The cochlear basal turn has a special feature on its external wall, the region of the windows, the round windows giving access to scala tympani and the oval window thatleads into scala vestibuli, and so it is metabolic demanding. For their role in cochlear tonotopy the sensorineural structures and those of the external wall of the cochlea, are particularly vulnerable to hypoxia. Although the complementarity of all the techniques was important for three- -dimensional reconstruction of the microvasculature of the cochlea, the scanning electron microscopy technique, especially when we used the system Semafore was fundamental to perform precise morphometric mesures regarding all vascular structures.Regarding the capillaries of the inner and outer wall of the cochlea networks this technique allowed their characterization in morphometric terms. To conclude the capillaries of the inner wall and of the external wall of the cochlea have similar size. So although located at different cochlear regions, with a different functional role, in cochlear physiology these networks consist of capillaries of similar caliber. It seems to translate a cochlear blood flow control mechanism that is so important in the inner wall as in and the external wall of the cochlea to provide for in inner ear homeosthasia.

Osteoclastogenesis, inflammatory cytokines and biomarkers of bone metabolism in psoriatic arthritis

RESUMO:A artrite psoriática (AP) é uma doença inflamatória crónica caracterizada por várias manifestações nas articulações, nas enteses e na pele. A formação de novo osso após inflamação nas enteses é um dos aspetos mais intrigantes desta doença. Os mecanismos celulares e moleculares deste processo ainda não são completamente conhecidos. Este estudo tem como objetivo compreender melhor os mecanismos subjacentes à formação e reabsorção óssea, bem como o efeito de anti-inflamatórios não esteroides (AINEs) nestes processos. Para atingir este objetivo foram quantificados biomarcadores do metabolismo ósseo e citocinas inflamatórias em doentes AP, antes e após terapêutica com AINEs. Os biomarcadores selecionados foram marcadores de remodelação óssea como CTX-I e P1NP, fatores de diferenciação e ativação de osteoclastos como o RANKL e a OPG, inibidores da via de sinalização Wnt, nomeadamente o DKK-1 e a SOST e ainda citocinas pro-inflamatórias como a IL-22 e a IL-23 e a prostaglandina PGE2. Neste contexto foram também estabelecidas culturas celulares de monócitos, isoladas de doentes AP e de controlos saudáveis. Os monócitos foram cultivados in vitro em condições não estimuladas e estimuladas e realizados dois ensaios funcionais: coloração com TRAP e ensaio de reabsorção. Foi observada uma diminuição nos níveis séricos de CTX-I e OPG em doentes AP em relação aos controlos. De igual forma os níveis séricos de SOST encontram-se significativamente mais baixos, em comparação com os controlos saudáveis. Estes valores de SOST são semelhantes aos dos doentes com espondilite anquilosante (EA), documentados anteriormente. Os ensaios com osteoclastos confirmaram a necessidade da presença de RANKL para estimulação da osteoclastogénese e que o celecoxib parece ter um papel inibitório neste processo. Os resultados obtidos sugerem que a população de doentes com AP analisados têm baixos níveis de reabsorção óssea e alguma atividade na formação óssea. --------------------------- ABSTRACT: Psoriatic arthritis (PsA) is a chronic inflammatory disease characterized by several manifestations involving the joints, enthesis and the skin. New bone formation after inflammation at enthesis site has been one of the most intriguing aspects of the disease. Cellular and molecular mechanisms in this process are still not completely understood. This study aims to understand better the mechanisms underlying bone formation and resorption and the effect of non-steroid anti-inflammatory drugs (NSAIDs) in these processes. To access that, biomarkers of bone metabolism and inflammatory cytokines were measured in PsA patients’ serum before and after NSAID therapy. These selected biomarkers were bone turnover markers such as CTX-I and P1NP, osteoclast differentiation and activation factors RANKL and OPG, Wnt pathway inhibitors DKK-1 and SOST and pro-inflammatory cytokines IL-22, IL-23 and prostaglandin PGE2. In this context monocyte cell culture was also established after PBMC isolation from PsA patients and healthy controls. Monocytes were cultured in vitro under unstimulated and stimulated conditions and two functional assays were performed: TRAP staining and resorption pit assay. It was demonstrated that CTX-I and OPG serum levels in PsA patients were lower than controls. SOST levels were extremely decreased in comparison with controls, resembling the ankylosing spondylitis patients results already documented. Osteoclast assays confirmed the need of RANKL in stimulating osteoclastogenesis and that celecoxib seems to have an inhibitor role in this process. The results obtained suggest that PsA patient population analyzed in this study have low bone resorption levels and some bone formation activity.

Novel antibiotic-loaded orthopaedic bone cements: insights on drug release profiles and biocompatibility

Acrylic bone cement (BC) is widely used as an anchor of artificial joints. Bacterial infection due to biofilm formation and inflammation are common and difficult to treat problems associated with commercial available BC formulations. Research on novel BC compositions is urgently needed. The main objective of this thesis was to develop a new biocompatible antibiotic-loaded BC with improved release profile. To achieve that aim several additives were incorporated, as an antibiotic (levofloxacin) to combat bacterial growth, an anti-inflammatory drug (diclofenac) to decrease the inflammatory process and two well-known and broadly used biopolymers, alginate and chitosan in order to increase matrix porosity, and in this way to intensify the amount of released drug. Novel BC formulations were tested in order to find the most suitable one that had potential to proceed to clinical application. Numerous tests were conducted as: a) evaluation of drug release profiles in different biomimetic media, b) mechanical and surface studies, c) microbiological activity testing against Staphylococcus aureus and d) in vitro biocompatibility assays (fibroblasts and osteoblasts). In general, the addition of biopolymers increased drug release, didn’t compromised BC mechanical properties and increased BC hydrophilicity. Microbiological testing revealed that Lev[BC]Chi was the only matrix that reduced significantly biofilm formation. On the contrary, alginate and diclofenac loading into BC seemed to increase biofilm growth. Biocompatibility studies showed some decrease in cell viability, in particularly on osteoblasts, mainly due to the high amounts of released drugs. In conclusion, the present work has shown that the matrix with more potential to proceed in further investigations was Lev[BC]Chi. Other conditions (namely additives and drugs concentrations) should be evaluated with the other tested BC matrices before being discharged.

Developmental and paleontological insights into skull bone homology and evolution

The Gallus gallus (chicken) embryo is a central model organism in evolutionary developmental biology. Its anatomy and developmental genetics have been extensively studied and many relevant evolutionary implications have been made so far. However, important questions regarding the developmental origin of the chicken skull bones are still unresolved such that no solid homology can be established across organisms. This precludes evolutionary comparisons between this and other avian model systems in which skull anatomy has evolved significantly over the last millions of years.(...)