Un nuevo modelo puede arrojar luz sobre la enfermedad de los huesos de cristal

Los investigadores han desarrollado un modelo óseo basado en células para ayudar a investigar la causa de la enfermedad de los huesos de cristal.

Para alguien que sufre la enfermedad de los huesos de cristal, la vida está llena de complicaciones.

El más mínimo paso en falso, una caída aparentemente inofensiva o incluso un movimiento en falso podría ser todo lo que se necesita para dejarlos con un brazo o una pierna rota. Y hay posibilidades de que esto suceda repetidamente, porque nacieron con un defecto genético heredado que hace que sus huesos sean extremadamente frágiles y, a menudo, se asocia con deformidades físicas.

En la mayoría de los casos, lo que causa que una persona tenga huesos frágiles es una mutación en el gen que lleva el modelo para la proteína de colágeno tipo I. Esta es, con diferencia, la proteína más importante para establecer una matriz ósea dura. Las personas con esta afección tienen un defecto genético que impide que esta proteína de colágeno se pliegue correctamente, dejándolos con una matriz ósea inestable y huesos quebradizos.

El nombre correcto para la enfermedad de los huesos de cristal es osteogénesis imperfecta, u OI para abreviar.

Matriz porosa

Hasta ahora, los científicos sólo tenían una comprensión rudimentaria de cómo las mutaciones en la proteína de colágeno alteran la formación de la matriz ósea, así como de cómo proceder para tratar estas malformaciones.

Pero ahora, un grupo de investigadores del Instituto de Biomecánica de la ETH Zurich ha dado un gran paso para responder a estas preguntas. Al frente del equipo está Xiao-Hua Qin, profesor de ingeniería de biomateriales, en colaboración con el profesor de ETH Ralph Müller.

Juntos, desarrollaron un modelo 3D in vitro que les permite investigar la formación ósea con más detalle, actualmente utilizando células sanas y en el futuro también células de personas afectadas por OI.

Este nuevo modelo óseo se basa en una matriz o estructura porosa hecha de un polímero sintético. En esta matriz, hecha de hidrogel blando, las células (osteoblastos) que forman el hueso pueden asentarse, multiplicarse y conectarse entre sí y con sus ramas para formar una red tridimensional.

Durante el desarrollo, los investigadores comprobaron que el tamaño de poro ideal es de entre 5 y 20 micrómetros: lo suficientemente ancho para permitir que las células se asienten y se multipliquen, pero lo suficientemente estrecho para evitar que se escapen.

Al crear su hidrogel, los investigadores tomaron sus hallazgos de modelos in vitro de células nerviosas.

«Los hidrogeles porosos proporcionan a las neuronas un entorno extremadamente conductor en el que formar redes artificiales», dice Qin. Sin embargo, pronto quedó claro que las células precursoras óseas «reaccionan de manera completamente diferente» en un aspecto: si bien también necesitan una matriz porosa, esta debe ser biodegradable.

Por eso, los investigadores equiparon su hidrogel con lo que se conoce como un reticulante peptídico, que puede ser escindido por una enzima metaloproteinasa de matriz (MMP). Esto, a su vez, permite que las células produzcan fibras de colágeno más maduras. Las MMP son esenciales para muchos procesos corporales, uno de los cuales es la formación de huesos.

Sin embargo, para garantizar que las células óseas puedan crecer y conectarse correctamente, los investigadores primero tuvieron que resolver otro problema.

«El estudio del desarrollo óseo, así como de la remodelación ósea, implica la estimulación mecánica de células», dice Doris Zauchner, estudiante de doctorado en el grupo de Qin y autora principal del artículo.

Los investigadores colocaron un hidrogel con células incrustadas en un chip y administraron líquido a través de los poros.

«Este líquido somete a las células a fuerzas de cizallamiento», afirma Zauchner, que son importantes para el funcionamiento celular. También se ha demostrado que un líquido que transporta nutrientes y mensajeros químicos estimula mecánicamente las células de los poros de los huesos sanos.

Imitando el desarrollo óseo normal

Como describen los investigadores en su artículo, su modelo óseo que contiene la matriz de hidrogel biodegradable y estimulación mecánica puede imitar con éxito el desarrollo óseo. Los osteoblastos se reproducen y, en algunos casos, incluso se convierten en osteocitos inmaduros (que representan el 90% de las células del hueso sano); Secretan colágeno y pueden mineralizar la matriz.

«Puede que sea simplemente un patrón», dice Zauchner, «pero se parece mucho al desarrollo óseo normal».

Ahora que han probado su modelo, los investigadores planean ponerlo a disposición de posibles socios de la industria.

En comparación con los modelos anteriores de formación ósea, el nuevo modelo in vitro en chip ofrece varias ventajas. Los poros de estos modelos anteriores eran demasiado estrechos, de modo que las células apenas tenían espacio para maniobrar, o demasiado anchos, de modo que no se podía formar una red tridimensional.

Además, dado que estos modelos utilizaban colágeno para su estructura matricial, era imposible estudiar si las propias células producían colágeno y, de ser así, en qué cantidad. Debido a que el modelo es lo suficientemente pequeño como para caber en un chip, los investigadores pueden usarlo incluso si solo tienen a su disposición unas pocas células de un paciente.

Sustitución de experimentos con animales.

Hasta ahora, el principal medio de investigación sobre la IO ha sido basarse en modelos animales. Zauchner señala que hay más de 20 diferentes, algunos con ratones, otros con peces o incluso perros.

«Los experimentos con animales tienen varias restricciones», afirma, la principal de las cuales es que son extremadamente caros. “Por eso estamos intentando crear un modelo in vitro para la OI. Nuestro objetivo es insertar células de personas con OI en el hidrogel con el objetivo de descubrir qué procesos no funcionan correctamente».

Zauchner está listo para iniciar los primeros experimentos con células de un joven paciente con OI en el Hospital Infantil de Zúrich.

El proyecto OI forma parte del programa nacional suizo de investigación «Advancing 3R». Su objetivo general es explorar cómo llevar el enfoque de las 3R: reemplazar, reducir y refinar a los experimentos con animales.

El grupo de Qin busca obtener una mejor comprensión general de los procesos que gobiernan cómo se forma, desarrolla y degrada el hueso. Para ello, las actividades del grupo no se limitan al nuevo modelo OI. En otro proyecto, el equipo está desarrollando un modelo para enfermedades óseas degenerativas como la osteoporosis. La atención se centra aquí en los osteocitos, que son células óseas terminalmente diferenciadas.

«Queremos utilizar las redes tridimensionales de células humanas para construir un modelo in vitro para el desarrollo óseo», afirma Qin. Nadie lo ha logrado todavía, excepto quizás su propio equipo: «En el modelo que acabamos de revelar, encontramos osteocitos inmaduros además de osteoblastos».

La investigación aparece en Comunicaciones de la naturaleza.

Fuente: Nik Walter para ETH Zurich