Search

BACKGROUND Orthopedic implant-related infection remains one of the most serious complications after orthopedic surgery. In recent years, there has been an increased scientific interest to improve prevention and treatment strategies. However, many of these strategies have focused on chemical measures. AIM To analyze the effect of alternating current electrical fields on bacterial adherence to titanium surfaces. METHODS Staphylococcus aureus (S. aureus) and Escherichia coli (E. coli) were exposed to 6.5 V electrical currents at different frequencies: 0.5 Hz, 0.1 Hz, and 0.05 Hz. After exposure, a bacterial count was then performed and compared to the control model. Other variables registered included the presence of electrocoagulation of the medium, electrode oxidation and/or corrosion, and changes in pH of the medium. RESULTS The most effective electrical model for reducing S. aureus adhesion was 6.5 V alternating current at 0.05 Hz achieving a 90% adhesion reduction rate. For E. coli, the 0.05 Hz frequency model also showed the most effective results with a 53% adhesion reduction rate, although these were significantly lower than S. aureus. Notable adhesion reduction rates were observed for S. aureus and E.coli in the studied conditions. However, the presence of electrode oxidation makes us presume these conditions are not optimal for in vivo use. CONCLUSION Although our findings suggest electrical currents may be useful in preventing bacterial adhesion to metal surfaces, further research using other electrical conditions must be examined to consider their use for in vivo trials.

L’hèrnia incisional (HI) abdominal és una de les complicacions més freqüents secundàries a una intervenció quirúrgica abdominal. L’elevat nombre d’intervencions d’aquest tipus que es realitzen anualment als hospitals, a més de les taxes elevades d’incidència i recurrència, són responsables que aquest desordre generi una despesa econòmica important per al Sistema Nacional de Salut. Generalment, l’aparició de l’HI s’atribueix a factors tècnics durant l’operació, com el tipus d’incisió practicada o el tipus de tancament aplicat. De tota manera, hi ha prou evidències per considerar que, almenys en un subgrup de pacients, podria haver-hi una alteració del teixit connectiu subjacent que permetria parlar d’una biologia de l`hèrnia. Estudis recents han evidenciat l’associació entre malalties associades amb alteracions en el col·lagen i una major probabilitat d’aparició de l’HI. En aquest sentit, s’ha analitzat algunes molècules relacionades amb el metabolisme de la matriu extracel·lular (MEC) dels teixits abdominals però sense arribar a la profunditat molecular d’altres tipus d’hèrnies, com la inguinal. De tota manera, l’evidència de factors de risc inherents al pacient o externs, com la infecció, sembla que podrien afavorir la formació de l’HI i posen de manifest que el problema va més enllà d’un desordre en el col·lagen. El fibroblast, com a cèl·lula predominant del teixit connectiu, podria ser la cèl·lula majoritàriament implicada en el procés i en la resposta al tractament mitjançant malles quirúrgiques. La identificació del fenotip alterat dels fibroblasts procedents dels teixits abdominals podria posar al descobert una sèrie de rutes implicades en el procés de formació de l’HI. En la present tesi es pretén millorar el coneixement del procés d’iniciació i formació de l’HI a través de la identificació de les alteracions al nivell cel·lular i molecular que afecten els teixits que conformen la paret abdominal. A més, també es pretén millorar el coneixement de la resposta cel·lular al tractament amb malles quirúrgiques per identificar les rutes implicades en la biointegració. Es van analitzar biòpsies de múscul esquelètic i d’aponeurosi de la zona abdominal de pacients amb HI i es van comparar amb els de pacients sense HI. També es va comparar els perfils d’expressió gènica dels fibroblasts primaris procedents d’ambdós grups de pacients. Finalment, es va comparar el comportament dels fibroblasts procedents d’aponeurosi d’ambdós grups de pacients en contacte amb malles de polipropilè utilitzades per al tractament de l’HI. S’ha observat una desestructuració dels teixits abdominals dels pacients amb HI, en comparació amb els de pacients sense HI, a més d’unes alteracions en el metabolisme de la MEC associades a una desregulació en la senyalització molecular inflamatòria. Concretament, s’ha observat una relació MMPs/TIMPs alterada en favor d’una major activitat proteolítica i una desregulació dels nivells i la regulació d’algunes citocines pro-inflamatòries. Aquests alteracions són teixit-específiques però desemboquen en conseqüències similars. A més, s’ha identificat un perfil d’expressió gènica diferencial mitjançant l’ús de xips d’expressió gènica en els fibroblasts procedents dels teixits abdominals. S’ha observat que les rutes alterades en els fibroblasts procedents d’aponeurosi guarden relació amb el cicle cel·lular i la reparació del dany cel·lular, mentre que en el múscul esquelètic participen en la resposta immunològica. A més, s’han identificat un conjunt de gens que poden tenir una importància destacada en el procés de formació de l’HI. Finalment, s’ha establert un model d’estudi in vitro de la interacció dels fibroblasts primaris procedents d’aponeurosi amb malles quirúrgiques de polipropilè. S’ha observat que l’adhesió cel·lular és feble i que podria produir canvis en l’organització de molècules del citoesquelet que podrien desembocar en la mort cel·lular. A més, la malla de polipropilè podria modificar el cicle cel·lular alterat dels fibroblasts de pacients amb HI atenuant el seu fenotip., Abdominal incisional hernia (HI) is one of the most common complications of abdominal surgery. The large number of this type of interventions performed annually at hospitals, in addition to high incidence and recurrence rates, are responsible for a significant economic cost to the National Health System. Usually, IH is attributed to technical-related risk factors, such as the type of incision practiced or the applied closure procedure. However, there are sufficient evidences that suggest a biological underlying connective tissue disorder, so-called the biology of hernia, at least in a subset of patients. Recent studies demonstrated the association between collagen diseases and higher IH occurrence rates. Several molecules related to the metabolism of extracellular matrix (ECM) of abdominal tissues have been analyzed, without the molecular complexity achieved in other types of hernia, including groin hernias. However, evidences for patient-related risk factors and also external factors, such as infection, which might seem to favour IH formation suggest that this complication goes beyond a disorder of collagen. The fibroblast is the mostly abundant connective tissue cell and might be mainly involved in the process of IH formation and also in the response to treatment with surgical meshes. The identification of an altered phenotype of fibroblasts from the abdominal tissues may reveal a considerable number of pathways involved in the process of IH formation. The present thesis aims to improve the knowledge of the initiation and formation of IH through identifying cellular and molecular alterations that affect abdominal wall tissues. It also aims to improve the understanding of the cellular response of fibroblast interaction with surgical meshes used for IH treatment in order to identify the routes involved in biointegration. Biopsies from abdominal skeletal muscle and aponeurosis tissues of IH patients were analyzed and compared with those of non-IH patients. The gene expression profiles of skeletal muscle and aponeurosis primary fibroblasts extracted from both patients were also compared. Finally, the behaviour of the aponeurosis fibroblasts from both patients in contact with polypropylene meshes used for IH treatment were compared. A dysfunction in abdominal tissues of IH patients, compared with non-IH patients, in addition to some alterations in the ECM metabolism associated with inflammatory molecular signalling deregulation has been observed. Specifically, an altered MMPs/TIMPs balance in favour of net proteolytic activity and a deregulated signalling and levels of certain pro-inflammatory cytokines has been found. Although these changes are tissue-specific lead to similar consequences. In addition, a differential gene expression profile using DNA microarrays has been identified in fibroblasts from IH abdominal tissues. It has been observed that the altered pathways obtained in fibroblasts from aponeurosis are related to cell cycle and cellular damage repair while in fibroblasts from skeletal muscle are involved in the immune response. In addition, a set of genes that may have a significant relevance in the process of IH formation have been identified. Finally, an in vitro model for studying the interaction between aponeurosis primary fibroblasts and polypropylene meshes has been established. It has been observed that cell adhesion to meshes is weak and could lead to changes in cytoskeletal molecules organization that could lead to cell death. In addition, the polypropylene mesh may modify the altered cell cycle of fibroblasts form IH patients mitigating their phenotype.

Immobilization of bioactive peptide sequences on CoCr surfaces is an effective route to improve endothelialization, which is of great interest for cardiovascular stents. In this work, we explored the effect of physical and covalent immoblization of RGDS, YIGSR and their equimolar combination peptides on endothelial cells (EC) and smooth muscle cell (SMC) adhesion and on thrombogenicity. We extensively investigated using RT-qPCR, the expression by ECs cultured on functionalised CoCr surfaces of different genes. Genes relevant for adhesion (ICAM-1 and VCAM-1), vascularization (VEGFA, VEGFR-1 and VEGFR-2) and anti-thrombogenicity (tPA and eNOS) were over-expressed in the ECs grown to covalently functionalized CoCr surfaces compared to physisorbed and control surfaces. Pro-thrombogenic genes expression (PAI-1 and vWF) decreased over time. Cell co-cultures of ECs/SMCs found that functionalization increased the amount of adhered ECs onto modified surfaces compared to plain CoCr, independently of the used peptide and the strategy of immobilization. SMCs adhered less compared to ECs in all surfaces. All studied peptides showed a lower platelet cell adhesion compared to TCPS. Covalent functionalization of CoCr surfaces with an equimolar combination of RGDS and YIGSR represented prevailing strategy to enhance the early stages of ECs adhesion and proliferation, while preventing SMCs and platelet adhesion. info:eu-repo/semantics/acceptedVersion

Aplicat embargament des de la data de defensa fins al 31 de juliol de 2019 Bone has a natural ability to regenerate. However, it cannot bridge large defects without the additional help of a supporting material. Among the different synthetic bone grafts, calcium phosphates (CaPs) are excellent candidates for bone regeneration due to their close resemblance to the mineral phase of bone, as well as the bioactive and osteoinductive potential. The present thesis explores the effect of the physicochemical features of CaPs on the interaction with the cells involved in the different stages of the bone healing process: inflammation, angiogenesis and osteogenesis, paying special attention to biomimetic calcium deficient hydroxyapatite (CDHA). This is analysed through in vitro cell cultures with immune, endothelial and bone forming cells, respectively. An overview of bone biology and bone healing process is presented in Chapter 1. Moreover, the Chapter 1 describes synthetic bone grafts based on CaPs and the impact of their physicochemical features on cellular behaviour in vitro. Chapter 2 and Chapter 3 study the response of immune cells to calcium phosphates and its outcome on osteogenic differentiation of bone forming cells. Specifically, Chapter 2 explores the link between nanotopography, specific surface area and porosity of biomimetic CDHA and its immunomodulatory, osteoimmunomodulatory and antinflammatory features, demonstrating that neddle- like topography of CDHA stimulated the osteogenic activity of bone forming cells, whilst a reduction of porosity to CDHA substrates decreased the inflammatory state. Chapter 3 is devoted to study the interaction of two chemically and texturally different calcium phosphates i.e. biomimetic CDHA and sintered ß-tricalcium phosphate (ß-TCP) with macrophages under inflammatory environment and its further impact on osteogenic differentiation of mesenchymal (MSCs) and osteoblastic cells. Angiogenesis ensures the availability of oxygen and nutrients and controls the recruitment and osteogenic differentiation of bone forming cells, being one of the crucial processes during bone healing. Chapter 4 explores the interaction of two texturally different CDHA, i.e. needle-like and plate-like structured surfaces, as well as ß-TCP with endothelial progenitor cells (EPCs). Moreover, the cellular crosstalk between EPCs and MSCs is investigated by performing co-culture studies. Finally, the independent effect of surface chemistry and ionic exchange of sintered and biomimetic calcium phosphates on osteogenesis are explored in Chapter 5 and Chapter 6. Chapter 5 describes the response of MSCs and osteoblastic cells to biommimetic CDHA and sintered CaPs i.e. ß-TCP, a-tricalcium phosphate (a-TCP) and hydroxyapatite (HA). The results showed that the direct contact with substrate is required to induce the osteogenic differentiation of both MSCs and osteoblasts. Moreover, the culture with the CDHA resulted in greater upregulation of ALP secretion for both cell types suggesting osteoinductive capacity of this substrate. Nonetheless, MSCs proliferation was impaired both in direct and indirect cultures on CDHA, suggesting that the increased ionic fluctuations, triggered by high SSA and calcium deficiency of the substrate, were responsible for this scenario. Hence Chapter 5 revealed the complexity to assess the cell-material interactions of highly reactive substrates in static in vitro cultures. This is further explored in Chapter 6, where a strategy is proposed to analyse the parameters affecting the response of MSCs to CDHA. The approach consisted of adjusting the volume ratio between the cell culture medium and CaP substrate, which allowed mitigating the drastic ionic changes. The results demonstrated that the alterations of calcium and phosphate concentrations impaired cell adhesion by reducing the number of focal adhesions, this leading to cell shrinkage and apoptosis. On the contrary, when the ionic fluctuations were attenuated, MCSs spread, proliferated and differentiated over time. El hueso tiene una capacidad natural para regenerarse. Sin embargo, no puede restaurar grandes defectos sin la ayuda adicional de un material de soporte. Entre los distintos injertos óseos sintéticos, los fosfatos de calcio son excelentes candidatos para la regeneración ósea debido a su gran parecido con la fase mineral del hueso, así como también a su potencial bioactivo y osteoinductor. La presente tesis explora el efecto de las características fisicoquímicas de los fosfatos de calcio en la interacción con las células involucradas en las diferentes etapas del proceso de regeneración ósea, es decir, inflamación, angiogénesis y osteogénesis, prestando atención especial a la hidroxiapatita biomimética deficiente en calcio (CDHA). Dicho efecto se analiza mediante el cultivo celular in vitro de células inmunológicas, endoteliales y formadoras del hueso, respectivamente. En el Capítulo 1 se presenta una descripción general de la biología ósea y el proceso de regeneración ósea. Además, el Capítulo 1 describe el estado del arte respecto a los injertos óseos basados en fosfatos de calcio y el impacto de sus características fisicoquímicas en el comportamiento celular in vitro. En el Capítulo 2 y el Capítulo 3 se estudia la respuesta de las células inmunológicas a los fosfatos de calcio y su implicación en la diferenciación osteogénica de las células formadoras de hueso. Específicamente, el Capítulo 2 explora el vínculo entre la nanotopografía, la superficie específica (SSA) y la porosidad de la CDHA biomimética y sus características inmunomoduladoras, osteoinmunomoduladoras y antiinflamatorias, demostrando que la CDHA con topografía en forma de aguja estimuló la actividad osteogénica de las células formadoras de hueso, mientras que una reducción en la porosidad de los sustratos CDHA resultó en una disminución del estado inflamatorio. El Capítulo 3 está dedicado a estudiar la interacción de dos fosfatos de calcio químicamente y texturalmente diferentes, es decir, la CDHA biomimética y el fosfato tricálcico beta (β-TCP), con macrófagos bajo un ambiente inflamatorio y su repercusión en la diferenciación osteogénica de las células mesenquimales (MSC) y osteoblásticas. La incubación con β-TCP dio como resultado una disminución en la liberación de moléculas proinflamatorias en las células inmunológicas, mientras que la interacción entre los macrófagos y la CDHA llevó a un entorno más favorable para la diferenciación osteogénica de las células formadoras de hueso. La angiogénesis asegura la disponibilidad de oxígeno y nutrientes y controla el reclutamiento y la diferenciación osteogénica de las células formadoras del hueso, siendo uno de los procesos cruciales durante la regeneración ósea. El Capítulo 4 explora la interacción de dos CDHA texturalmente diferentes, es decir, con superficie en forma de aguja o placa, además del β-TCP con células endoteliales progenitoras (EPCs). Asimismo, se investiga la interacción celular entre células endoteliales progenitoras y células mesenquimales realizando estudios de cocultivo. En general, la expresión de genes relacionados con procesos de angiogénesis en el monocultivo de ECPs fue más pronunciada para la CDHA con topografía en forma de aguja. Además, se demostró la comunicación celular mediante la regulación positiva de los genes relacionados con la osteogénesis, siendo este comportamiento especialmente pronunciado para la CDHA con microestructura en forma de aguja. Finalmente, el efecto independiente de la química y del intercambio iónico de los fosfatos de calcio, tanto sinterizados como biomiméticos, sobre la osteogénesis se explora en el Capítulo 5 y Capítulo 6. El Capítulo 5 describe la respuesta de las MSCs y las células osteoblásticas a la CDHA biomimética y a tres cerámicas sinterizadas, es decir, β-TCP, fosfato tricálcico alfa (α-TCP) e hidroxiapatita (HA). Las células se cultivaron directamente sobre los biomateriales o indirectamente sobre un cubreobjetos de vidrio colocado sobre los sustratos, para exponer las células a los efectos exclusivos de los cambios iónicos inducidos por los CaPs sin el efecto adicional de la topografía. Los resultados mostraron que se requiere el contacto directo con el sustrato para inducir la diferenciación osteogénica de las MSCs y los osteoblastos. Además, el cultivo con la CDHA dio como resultado una mayor secreción de ALP para ambos tipos de células, lo que sugiere una gran capacidad osteoinductora de este sustrato. De todos modos, la proliferación de MSCs se vio afectada tanto en el cultivo directo como indirecto en la CDHA, lo que sugiere que las fluctuaciones iónicas, causadas por la elevada superficie específica y la deficiencia de calcio del sustrato, provocaron este comportamiento. Los resultados demostraron que la muerte celular fue inducida a través de la vía apoptótica. Por lo tanto, el Capítulo 5 reveló la complejidad de la evaluación de las interacciones célula-sustrato en cultivos estáticos in vitro en los biomateriales que presentan una alta reactividad iónica. Esa complejidad se explora más a fondo en el Capítulo 6, donde se propone una estrategia para analizar los parámetros que afectan la respuesta de las MSCs a la CDHA separadamente. El enfoque consistió en ajustar la relación de volumen entre el medio de cultivo celular y el volumen del sustrato de CaP permitiendo, de esa manera, mitigar los cambios iónicos drásticos. Los resultados demostraron que las alteraciones en las concentraciones de calcio y fosfato afectaron la adhesión celular reduciendo el número de adhesiones focales y el área celular, llevando finalmente a la muerte celular por apoptosis. En cambio, cuando las fluctuaciones iónicas fueron atenuadas, se observó como las MSCs se extendieron, proliferaron y diferenciaron a lo largo del tiempo. Además, el contacto con la CDHA dio lugar a una expresión más temprana de genes relacionados con la osteogénesis como la fosfatasa alcalina (ALP), la proteína morfogenética ósea 2 (BMP-2) y la osteopontina (OPN) en comparación con el β-TCP, lo que sugiere un mayor potencial osteogénico de la CDHA biomimética.

En el present Treball de Final de Grau es fa un estudi d’una possible tècnica de millora de la integració dels implants dentals de titani amb el teixit cel·lular, i tracta específicament l’opció de crear una superfície de titani el més antibacteriana possible. Mitjançant un atac de caràcter àcid, la superfície del titani queda modificada creant una nanoestructura que segons l’article Surface Nanoporosity has a greater influence on osteogènic and bacterial cell adhesion than crystallinity and wettability [1] esdevé antibacteriana. Així doncs, l’objectiu del projecte és replicar aquesta superfície que per si sola és antibacteriana i a més a més, tal com diu l’altre article Anhydride-functional silane immobilized onto titanium surfaces induces osteoblasts cell differentiation and reduces bacterial adhesion and biofilm formation [2], afegir un silà anomenat TESPSA que també té un efecte antibacterià; de forma que amb la combinació d’ambdós efectes, poder obtenir una superfície del titani idònia, pel seu caràcter antibacterià, pels implants dentals. Com a objectiu extra del projecte, s’intenta, també, optimitzar el temps de producció de la superfície de titani creada segons el primer dels articles [1]. Per a dur a terme aquest projecte cal un treball de laboratori que consta en la preparació de mostres de titani llises, fer sobre elles un atac àcid amb una solució anomenada Piranha, silanitzar les mostres amb TESPSA, fer una caracterització de la superfície atacada i finalment, realitzar assaigs amb bacteris amb l’objectiu de verificar si es tracta d’una superfície antibacteriana o no. A l’hora de procedir amb aquest treball de laboratori, s’ha pogut fer tot el proposat, tot i que els resultats d’alguns assajos no han estat els esperats. L’intent de rèplica de la superfície del titani de l’article de Rodriguez-Contreras, et al. 2018 [1], no ha resultat en la superfície antibacteriana esperada. De totes formes, s’ha procedit amb el projecte usant una variant de superfície que es va extreure a partir d’una variació en l’atac amb Piranha, per verificar l’efectivitat antibacteriana del TESPSA.