Despite the successful clinical application of titanium (Ti) as a biomaterial, the exact cellular and molecular mechanisms responsible for Ti osseointegration remain unclear. Indeed, specific knowledge still lacks on what elements are present at biomaterial/host interface and how these factors can trigger inflammatory pathways involved in the subsequent osseointegration process. In this context, we hypothesize that the surgical trauma inherent to the biomaterial grafting results in the release of DAMPs (damage-associated molecular patterns), endogenous proteins that act as triggers of immune inflammatory response upon cellular/tissue stress and/or damage. HMGB1 comprises the prototypic DAMP, which triggers host response via its cognate receptor RAGE, present at leucocytes and somatic cells surfaces. In this context, the aim of this thesis is to study the influence of DAMPs on the biomaterial/host interface and its role in mediating a constructive inflammatory process along tissue repair and osseointegration outcome. Methods and Results: In the article 1, we first characterized an oral osseointegration model in C57Bl/6 mice. This model of oral osseointegration was performed by using Ti screws (6AL-4V, Ø0.6mm, length of 1.5 mm) implanted in the edentulous alveolar crest of mice maxilla. The peri-implant sites were evaluated by microCT, as well histological and molecular assessments. In the article 2, we confirm the presence of DAMPs (HMGB1, HSP60, HSP70, S100A, Byglican, and Fibronectin) at Ti/host interface, analyzing Ti discs (6AL-4V, Ø6mm, 2mm of thick) implanted in the subcutaneous tissue of C57Bl/6 mice. Subsequently, the impact of HMGB1 and RAGE on the tissue repair around Ti discs was investigated by using HMGB1 (GZA 200mg/Kg) or RAGE (RAP, 4m/Kg/day) pharmacological inhibitors. The HMGB1/RAGE axis actively influences the inflammatory response post biomaterial implantation and the blocking of both molecules can negatively affect the subcutaneous tissue repair surrounding Ti disc in mice. In the article 3, Ti screws were implanted in the maxillary edentulous alveolar crest of C57Bl/6 mice, treated or untreated with GZA and RAP and the osseointegration process was evaluated by microscopic and molecular analysis (such as characterized in the article 1). The failure of osseointegration process was observed in mice treated with RAP or GZA, which present a disruption of the inflammatory process followed by foreign body reaction. In conclusion, HMGB1 and RAGE actively influence the tissue repair and osseointegration process in response to Ti-devices grafting, influencing the genesis and regulation of inflammatory immune response, which include the modulation of macrophages polarization state, MSC migration and differentiation in bone cells and consequent bone deposition. / Apesar do sucesso clínico do Titânio (Ti) como biomaterial, os exatos mecanismos celulares e moleculares que levam à sua osseointegração permanecem incertos. De fato, ainda há uma lacuna de conhecimento sobre quais elementos estão presentes na interface hospedeiro/biomaterial e como esses fatores poder deflagrar as vias inflamatórias envolvidas no subseqüente processo de osseointegração. Neste contexto, sugere-se que o trauma cirúrgico inerente à implantação do biomaterial resulta na liberação de DAMPs (do inglês damage-associated molecular patterns), os quais são proteínas endógenas que agem como ativadoras da resposta imune/inflamatória sob um estresse ou dano celular e tecidual. HMGB1 constitui um DAMP prototípico, o qual ativa a resposta do hospedeiro via seu receptor cognato RAGE, que por sua vez está presente na superfície de leucócitos e células somáticas. Neste contexto, o objetivo da presente tese é estudar a influencia de DAMPs na interface hospedeiro/biomaterial e seu papel na modulação de um processo inflamatório construtivo ao longo do reparo tecidual e da osseointegração. Material e Métodos: No artigo 1, caracterizou-se um modelo de osseointegração oral em camundongos C57Bl/6 . Tal modelo foi desenvolvido utilizando parafusos de Ti (6AL-4V, Ø0,6mm, 1.5 de comprimento) implantados no rebordo alveolar edentulo da maxila de camundongos, cujos tecidos peri-implatares foram avaliados por meio de microCT, bem como análises histológicas e moleculares. No artigo 2, inicialmente confirmou-se a presença de DAMPs (HMGB1, HSP60, HSP70, S100A, Biglicana e Fibronectina) na interface Ti/hospedeiro, analisando amostras com discos de Ti (6AL-4V, Ø6mm x 2mm de espessura) implantados no tecido subcutâneo de camundongos C57Bl/6. Posteriormente, o impacto de HMGB1 e RAGE no reparo tecidual ao redor dos discos de Ti foi analisado por meio de uso de inibidores farmacológicos de HMGB1 (GZA 200mg/Kg/dia) e RAGE (RAP, 4m/Kg/dia). O eixo HMGB1/RAGE influencia ativamente a resposta inflamatória pós implantação do biomaterial, e o bloqueio de ambas as moléculas pode afetar negativamente o reparo tecidual subcutâneo ao redor de discos de Ti em camundongos. No artigo 3, parafuso de Ti foram implantados no rebordo edentulo da maxila de camundongos C57Bl/6, tratados e não tratados com GZA e RAP; e o processo de osseointegração foi avaliado por meio de análises microscópicas e moleculares (tal como caracterizado no artigo 1). A falha da osseointegração foi observada em camundongos tratados com RAP ou GZA, os quais apresentaram alterações importantes no processo inflamatório seguidas por uma reação de corpo estranho nos perídos mais tardios. Em suma, conclui-se que HMGB1 e RAGE influenciam ativamente o processo de reparo tecidual e de osseointegração frente à implantação de dispositivos de Ti, influenciando a geração e a regulação da resposta imune inflamatória, a qual inclui a modulação da polarização de macrófagos, a migração de MSCs e a diferenciação de células ósseas para subsequente deposição óssea.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-02102018-153955 |
| Date | 30 May 2018 |
| Creators | Claudia Cristina Biguetti |
| Contributors | Gustavo Pompermaier Garlet, Leonardo Rigoldi Bonjardim, Edilson Ervolino, Paulo Domingos Ribeiro Junior |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Ciências Odontológicas Aplicadas, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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