Un nuevo biomaterial regenera el cartílago dañado en las articulaciones

Científicos de la Universidad Northwestern han desarrollado un nuevo material bioactivo que ha regenerado con éxito cartílago de alta calidad en las articulaciones de la rodilla de un modelo animal grande.

Aunque parece una sustancia gomosa, el material es en realidad una red compleja de componentes moleculares que trabajan juntos para imitar el entorno natural del cartílago en el cuerpo.

En el nuevo estudio, los investigadores aplicaron el material al cartílago dañado en las articulaciones de las rodillas de los animales. En sólo seis meses, los investigadores observaron evidencia de una mejor reparación, incluido el crecimiento de nuevo cartílago que contiene biopolímeros naturales (colágeno II y proteoglicanos), que permiten la resistencia mecánica sin dolor en las articulaciones.

Con más trabajo, los investigadores dicen que el nuevo material algún día podría usarse para prevenir cirugías de reemplazo total de rodilla, tratar enfermedades degenerativas como la osteoartritis y reparar lesiones relacionadas con el deporte, como los desgarros de ligamentos.

El estudio se publicará durante la semana del 5 de agosto en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

«El cartílago es un componente crítico en nuestras articulaciones», dijo Samuel I. Stupp de Northwestern, quien dirigió el estudio. “Cuando el cartílago se daña o se descompone con el tiempo, puede tener un enorme impacto en la salud y la movilidad general de las personas. El problema es que, en los seres humanos adultos, el cartílago no tiene una capacidad inherente para curarse. Nuestra nueva terapia puede inducir la reparación en tejidos que no se regeneran de forma natural. Creemos que nuestro tratamiento puede ayudar a abordar una necesidad clínica grave e insatisfecha».

Pionero de la nanomedicina regenerativa, Stupp es profesor del Patronato de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica en Northwestern, donde es director fundador del Instituto Simpson Querrey de BioNanotecnología y de su centro afiliado, el Centro de Nanomedicina regenerativa. Stupp ocupa cargos en la Escuela de Ingeniería McCormick, la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg y la Facultad de Medicina Feinberg. Jacob Lewis, ex Ph.D. estudiante en el laboratorio de Stupp, es el primer autor del artículo.

¿Qué hay en el material?

El nuevo estudio sigue al trabajo publicado recientemente por el laboratorio Stupp, en el que el equipo utilizó «moléculas danzantes» para activar las células del cartílago humano para estimular la producción de proteínas de tejido óseo. En lugar de utilizar moléculas de danza, el nuevo estudio evalúa un biomaterial híbrido también desarrollado en el laboratorio de Stupp. El nuevo biomaterial incluye dos componentes: un péptido bioactivo que se une al factor de crecimiento transformante beta-1 (TGFb-1), una proteína esencial para el crecimiento y mantenimiento del cartílago, y ácido hialurónico modificado, un polisacárido natural presente en el cartílago y en el líquido sinovial lubricante. en las articulaciones.

«La mayoría de la gente está familiarizada con el ácido hialurónico porque es un ingrediente popular en los productos para el cuidado de la piel», dijo Stupp. “También se encuentra de forma natural en muchos tejidos del cuerpo humano, incluidas las articulaciones y el cerebro. Lo elegimos porque se parece a los polímeros naturales que se encuentran en el cartílago».

El equipo de Stupp integró el péptido bioactivo y partículas de ácido hialurónico químicamente modificadas para impulsar la autoorganización de fibras a nanoescala en haces que imitan la arquitectura natural del cartílago. El objetivo era crear un andamio atractivo para que las propias células del cuerpo regeneraran el tejido cartilaginoso. Utilizando señales bioactivas en las fibras a nanoescala, el material estimula la reparación del cartílago por parte de las células, que llenan la estructura.

Clínicamente relevante para los humanos.

Para evaluar la eficacia del material para promover el crecimiento del cartílago, los investigadores lo probaron en ovejas con defectos de cartílago en la articulación del cuello, una articulación compleja en las patas traseras similar a la rodilla humana. Este trabajo se realizó en el laboratorio de Mark Markel en la Facultad de Medicina Veterinaria de la Universidad de Wisconsin-Madison.

Según Stupp, las pruebas en un modelo de oveja eran vitales. Al igual que los humanos, el cartílago de oveja es duro e increíblemente difícil de regenerar. El cuello de oveja y las rodillas humanas también tienen similitudes en cuanto a carga de peso, tamaño y cargas mecánicas.

«Un estudio en un modelo de oveja predice mejor cómo funcionará el tratamiento en humanos», dijo Stupp. «En otros animales más pequeños, la regeneración del cartílago se produce mucho más fácilmente».

En el estudio, los investigadores inyectaron el material espeso y pastoso en los defectos del cartílago, donde se transformó en una matriz gomosa. No sólo creció cartílago nuevo para llenar el defecto a medida que se degradaba el andamio, sino que el tejido reparado fue consistentemente de mayor calidad en comparación con el control.

Una solución duradera

Stupp imagina que en el futuro el nuevo material podrá aplicarse a las articulaciones durante cirugías articulares abiertas o artroscópicas. El estándar de atención actual es la cirugía de microfracturas, durante la cual los cirujanos crean pequeñas fracturas en el hueso subyacente para inducir el crecimiento de nuevo cartílago.

«El principal problema con el enfoque de microfractura es que a menudo resulta en la formación de fibrocartílago (el mismo cartílago de nuestros oídos) en lugar de cartílago hialino, que es lo que necesitamos para tener articulaciones funcionales», dijo Stupp. «Con la regeneración del cartílago hialino, nuestro enfoque debería ser más resistente al desgaste, solucionando el problema de la mala movilidad y el dolor articular durante mucho tiempo y evitando al mismo tiempo la necesidad de ‘reconstrucción articular con grandes piezas de hardware'».

El estudio, «Un andamio de polímero bioactivo covalente supramolecular para la reparación del cartílago en un modelo de oveja», fue apoyado por el Fondo Familiar Mike y Mary Sue Shannon para Sistemas de Materiales Bioinspirados y Bioactivos para la Regeneración Musculoesquelética.

CRÉDITO DE LA IMAGEN: Samuel I. Stupp/Universidad Northwestern