El reemplazo articular completo, aunque altamente exitoso, es una cirugía mayor con regímenes de terapia rigurosos y a menudo dolorosos y un tiempo de recuperación prolongado. Impulsado por la necesidad de desarrollar terapias más efectivas que requieran menos tiempo de recuperación para afecciones articulares comunes como la osteoartritis, un equipo internacional que incluyeInvestigadores financiados por NIBIB han desarrollado un andamio integrado de dos partes para la implantación en articulaciones dañadas, con andamio de cartílago hecho de seda y andamio de hueso hecho de cerámica. Esta combinación de materiales imita el cartílago y el hueso de las articulaciones naturales tanto en resistencia mecánica comoestructura de poros. También permite a las células madre poblar con éxito el injerto y diferenciarse en cartílago y células óseas. Las células llenan las áreas dañadas para reconstituir la estructura original de la articulación, después de lo cual el andamio se biodegrada, dejando la superficie lisa requerida para un dolorinterfaz libre de funcionamiento, el andamio es un paso significativo hacia la mejora y lasTratamiento de lesiones articulares comunes y a menudo debilitantes.
"Es un problema difícil de abordar", dice Rosemarie Hunziker, Ph.D., Directora de NIBIB para el Programa de Ingeniería de Tejidos. "Uno de los grandes problemas en la ingeniería de tejidos de cartílago es que el cartílago no se integra bien con el tejido huéspeddespués de la implantación, para que el injerto no "tome". En este nuevo enfoque hay una mayor posibilidad de éxito porque los materiales tienen arquitecturas y propiedades físicas que se parecen más al tejido nativo ".
La estructura natural en la articulación donde se unen dos huesos es un material de dos partes compuesto de cartílago y hueso, llamado tejido osteocondral: osteo significa hueso y condral significa cartílago. Este material "bifásico" combina cartílago flexible y hueso más rígido, quepermite que las articulaciones se flexionen y funcionen correctamente, al tiempo que mantiene la resistencia de soporte de peso.
Los tratamientos clínicos existentes generalmente se dividen en dos categorías. El tratamiento no quirúrgico implica la inmovilización y la carga de peso restringida, con una progresión gradual de la carga de peso y la fisioterapia. Los tratamientos quirúrgicos actuales incluyen el desbridamiento extracción de cartílago y hueso lesionado o el injerto dehueso y cartílago nuevos. Ambas técnicas quirúrgicas están destinadas a restaurar la forma natural y la superficie de deslizamiento del cartílago. Los enfoques existentes suelen ser exitosos para aliviar el dolor y restaurar alguna función a corto plazo, pero rara vez logran la restauración completa del tejido osteocondral funcionala largo plazo. En particular, la mala cicatrización de los huesos que fueron cortados en cirugía es un problema común.
Investigadores financiados por NIBIB en la Universidad de Tufts en Medford, Massachusetts e investigadores de la Unidad de Investigación de Ingeniería de Tejidos y Biomateriales, Universidad de Sydney, Australia, se unieron para desarrollar materiales que imitan la naturaleza única y compleja del tejido osteocondral. El objetivo erapara desarrollar un andamio artificial con propiedades mecánicas y bioactivas que promueva con éxito la curación del tejido dañado para restaurar una articulación completamente funcional. Las propiedades bioactivas incluyen tener un andamio con los tamaños de poro correctos que permiten que las células entren y llenen el andamio después de la implantación, y estar completamentedegradable con el tiempo para eliminar las barreras a la regeneración de tejidos.
Identificando materiales que cumplen con el desafío
El andamio bifásico cumple con los requisitos básicos de flexibilidad y resistencia. Además, las propiedades bioactivas de las dos partes del andamio son críticas porque el andamio implantado debe estar poblado por células madre mesenquimales humanas que luego se diferencian en cartílago y células óseas paraintegrar el injerto de forma segura en la articulación
Los investigadores desarrollaron procesos relativamente simples y reproducibles para formar los dos materiales en el andamio deseado con los diferentes tamaños de poro necesarios. Finalmente, se diseñó una interfaz mecánicamente fuerte entre los dos materiales, que fue fundamental para la creación exitosa de un injerto bifásico.
Prueba de las propiedades del diseño del andamio
En las pruebas que miden cómo los materiales se mantienen bajo fuerzas de estiramiento y compresión, el andamio bifásico mantuvo su integridad estructural bajo fuerzas que eran mucho más altas que las que se encontrarían en el cuerpo en condiciones fisiológicas. Además, la unión entre las dos fases se mantuvointacto bajo pruebas de estiramiento y compresión muy altas.
Probado en cultivo celular, los investigadores encontraron que cada fase del andamio promovió la población de células madre mesenquimales humanas y su diferenciación en el tipo de célula apropiado. El tamaño de poro más pequeño del segmento similar al cartílago de seda hizo que las células mesenquimatosas se diferenciaran encélulas de cartílago. El mayor tamaño de poro del segmento similar al hueso de cerámica hizo que las células mesenquimales se diferenciaran en células óseas. La atracción de las células mesenquimatosas hacia los poros se logró sin la necesidad de integrar otras moléculas bioactivas en la estructura, lo que en gran medidasimplifica el diseño y la fabricación del andamio. La interfaz entre las dos fases también permitió la migración celular y la interacción entre fases. Las pruebas de expresión génica en cultivo de tejidos revelaron que los genes expresados a partir de las células que pueblan las fases de seda y cerámica eran de hecho los esperados decartílago y hueso, respectivamente.
Próximos pasos
"Estamos muy animados", dice David L. Kaplan, Ph.D., Profesor y Presidente del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Tufts, "por las excelentes propiedades mecánicas y bioactivas presentes en estos materiales que también presentan características relativamente simples ymétodos de fabricación reproducibles "
El equipo continúa optimizando las propiedades del diseño del andamio para pruebas eventuales in vivo en un modelo de cerdo a medida que avanzan hacia el uso de esta estrategia para una reconstrucción dramáticamente mejorada y duradera de los defectos osteocondrales.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Imagen Biomédica y Bioingeniería . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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