Los andamios de tejido recubiertos ayudan al cuerpo a generar hueso nuevo para reparar lesiones o defectos congénitos.
Los factores de crecimiento óseo, que se liberan lentamente a lo largo de unas pocas semanas.
Cuando se aplica a lesiones o defectos óseos, este andamio recubierto induce al cuerpo a formar rápidamente hueso nuevo que se ve y se comporta exactamente como el tejido original.
Este tipo de armazón recubierto podría suponer una mejora espectacular con respecto al actual tratamiento estándard de las lesiones óseas, el cual implica el trasplante de hueso de otra parte del cuerpo del paciente, un proceso doloroso que no siempre proporciona suficiente hueso.
Los pacientes con lesiones óseas graves, como los soldados heridos en combate; las personas que sufren defectos óseos congénitos, (como trastornos craneomaxilofaciales); y los pacientes que necesitan un aumento óseo antes de la inserción de implantes dentales podrían beneficiarse del nuevo armazón de tejido, afirman los investigadores.
“Ha sido un problema médico verdaderamente desafiante y hemos tratado de proporcionar una forma de abordarlo”, dice Nisarg Shah, científico con un reciente doctorado y autor principal del artículo, que publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.
Paula Hammond, profesora de ingeniería David H. Koch y miembro del Instituto Koch para la Investigación Integral del Cáncer y del Departamento de Ingeniería Química del Massachusetts Institute of Technology (MIT), es la autora principal del artículo.
Otros autores son los posdoctorados M. Nasim Hyder y Mohiuddin Quadir, la estudiante de posgrado Noémie-Manuelle Dorval Courchesne, Howard Seeherman de Restituo, Myron Nevins de la Facultad de Medicina Dental de Harvard y Myron Spector del Brigham and Women’s Hospital.
Estimulación del crecimiento óseo
Dos de los factores de crecimiento óseo más importantes son el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) y la proteína morfogenética ósea 2 (BMP-2).
Como parte de la cascada natural de cicatrización de heridas, el PDGF es uno de los primeros factores que se liberan inmediatamente después de una lesión ósea, como una fractura.
Después de que aparece el PDGF, otros factores, incluida la BMP-2, ayudan a crear el entorno adecuado para la regeneración ósea al reclutar células que pueden producir hueso y formar una estructura de soporte, incluidos los vasos sanguíneos.
Los esfuerzos para tratar las lesiones óseas con estos factores de crecimiento se han visto obstaculizados por la incapacidad de administrarlos de manera eficaz y controlada. Cuando se administran cantidades muy grandes de factores de crecimiento con demasiada rapidez, se eliminan rápidamente del lugar del tratamiento, por lo que tienen un impacto reducido en la reparación de los tejidos y también pueden inducir efectos secundarios no deseados.
“Lo que se busca es que el factor de crecimiento se libere muy lentamente y en cantidades de nanogramos o microgramos, no de miligramos”, explica Hammond.
“Se busca reclutar a estas células madre adultas nativas que tenemos en nuestra médula ósea para que vayan al lugar de la lesión y luego generen hueso alrededor del armazón, y se busca generar un sistema vascular que lo acompañe”.
Este proceso lleva tiempo, por lo que lo ideal sería que los factores de crecimiento se liberaran lentamente durante varios días o semanas.
Para lograrlo, el equipo del MIT creó una lámina de andamiaje muy fina y porosa recubierta con capas de PDGF y BMP.
Utilizaron una técnica llamada ensamblaje capa por capa, primero recubrieron la lámina con aproximadamente 40 capas de BMP-2; sobre ellas se colocan otras 40 capas de PDGF.
Esto permitió que el PDGF se liberara más rápidamente, junto con una liberación más sostenida de BMP-2, imitando aspectos de la curación natural.
“Esta es una ventaja importante para la ingeniería de tejidos para los huesos porque la liberación de las proteínas de señalización tiene que ser lenta y programada”, dice Nicholas Kotov, profesor de ingeniería química en la Universidad de Michigan que no formó parte del equipo de investigación.
La lámina de andamio tiene un espesor de aproximadamente 0,1 milímetros; una vez aplicados los recubrimientos de factores de crecimiento, los andamios se pueden cortar de la lámina según demanda y con el tamaño apropiado para su implantación en una lesión o defecto óseo.
Reparación eficaz
Los investigadores probaron el andamio en ratas con un defecto craneal lo suficientemente grande (8 milímetros de diámetro) como para que no pudiera curarse por sí solo.
Después de implantar el andamio, se liberaron factores de crecimiento a diferentes velocidades.
El PDGF, liberado durante los primeros días después de la implantación, ayudó a iniciar la cascada de curación de la herida y a movilizar diferentes células precursoras al lugar de la herida.
Estas células son responsables de formar tejido nuevo, incluidos vasos sanguíneos, estructuras vasculares de soporte y hueso.
La BMP, liberada más lentamente, indujo a algunas de estas células inmaduras a convertirse en osteoblastos, que producen hueso.
Cuando se utilizaron ambos factores de crecimiento juntos, estas células generaron una capa de hueso, apenas dos semanas después de la cirugía, que era indistinguible en su apariencia y propiedades mecánicas del hueso natural, afirman los investigadores.
“El uso de esta combinación nos permite no solo acelerar primero la proliferación, sino también facilitar la formación de tejido vascular, lo que proporciona una vía para que las células madre y los osteoblastos precursores y otros agentes entren y realicen su trabajo. El resultado es un sistema curado muy uniforme”, afirma Hammond.
Otra ventaja de este método es que el andamio es biodegradable y se descompone dentro del cuerpo en pocas semanas.
El material del andamio, un polímero llamado PLGA, se utiliza ampliamente en tratamientos médicos y se puede ajustar para que se desintegre a un ritmo específico, de modo que los investigadores puedan diseñarlo para que dure solo el tiempo necesario.
El equipo de Hammond ha presentado una patente basada en este trabajo y ahora pretende comenzar a probar el sistema en animales más grandes.
Este estudio fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud.
