Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Nanofibras Biológicamente Activas – Extremidades Paralizadas se Mueven de Nuevo

Wednesday, November 26, 2008

(a) Representación esquemática de nanofibras autoensamblables con moléculas biológicamente activas en su superficie. Las nanofibras miden de 6 a 8 nanometros de diámetro – aproximadamente 6,000 veces más delgadas que un cabello humano. (b) Conjuntos de nanofibras individuales formando una red (barra de aumento = 200 nanometros) vistos a través de un microscopio. Estas redes se ensamblan espontáneamente cuando se inyectan las moléculas en el sitio de la lesión de la médula espinal, creando terapia para las extensiones nerviosas dañadas. [Fotografía de Samuel Stupp]

(a) Schematic representation of self-assembling nanofibers with biologically active molecules on their surface. Nanofibers measure 6 to 8 nanometers in diameter – approximately 6,000 times thinner than a human hair. (b) Bundles of individual nanofibers forming a network (magnification bar = 200 nanometers) seen through a microscope. These networks assemble spontaneously when the molecules are injected into the site of spinal cord injury, creating therapy for damaged nerve extensions.

Los investigadores han desarrollado un nuevo material que permite que ratones con lesiones severas de médula espinal recuperen movimiento en sus extremidades paralizadas en cuestión de semanas. Este nuevo enfoque, en combinación con tecnologías existentes, tiene el potencial de mejorar considerablemente la recuperación funcional en personas después de una lesión de médula espinal.

La laminina, una proteína que se encuentra en el tejido conectivo y en espacios entre células, fomenta que crezcan nuevas extensiones de las células nerviosas durante el desarrollo o después de la lesión. Los científicos identificaron una cadena de cinco aminoácidos (IKVAV) en la laminina que se unen a las proteínas de la superficie celular, conocidas como integrinas receptoras, las cuales transmiten las señales de crecimiento hacia la célula. Samuel Stupp, Miembro del Consejo y Profesor de Ciencias de Materiales, Química, y Medicina en la Universidad de Northwestern, está trabajando con colegas para aprovechar el potencial de este mecanismo de reparación biológica. El equipo de Stupp creó un material biológicamente activo, llamado péptido anfifilo IKVAV (IKVAV-PA por sus siglas en inglés), que se organiza en nanoestructuras con una concentración muy alta de péptidos IKVAV en sus superficies. Cuando son expuestos a las sales en el cuerpo, las IKVAV-PA se autoacumulan en nanofibras en forma de cilindro (tubo). Estas fibras forman gels cuando son lo suficientemente concentradas.

 

Nanofibras Permiten la Recuperación después de una Lesión de Médula Espinal

Anteriormente, el equipo de Stupp demostró que en un tubo de ensayo las nanofibras IKVAV-PA estimularon el crecimiento de extensiones en las células nerviosas. Esto sugiere que la inyección de material bioactivo podría fomentar la recuperación de nervios dañados en el cuerpo. El estudio reciente de Stupp con su colega John Kessler en la Universidad de Northwestern, apoyado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas (NIBIB) y por el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares, investigó si las IKVAV-PA podrían ayudar en la recuperación de la función nerviosa después de una lesión de médula espinal. Ratones recibieron una inyección de IKVAV-PA 24 horas después de sufrir una lesión severa de médula espinal que dejó paralizadas sus extremidades posteriores. Se escogió el momento para imitar el retraso en la intervención médica que podría sufrir la gente después de una lesión seria. “Los pacientes tienen que llegar al hospital o quizá tengan que ser estabilizados antes de una intervención”, dice Stupp. Algunos de los ratones tratados con nanofibras empezaron a utilizar de nuevo sus extremidades posteriores nueve semanas después de una lesión de médula espinal. Estos sorprendentes resultados sugirieron que las IKVAV-PA tenían efectos biológicos intensos.

 

IKVAV PA – Modos de Acción

El andamio bioactivo mejora el crecimiento de extensiones nerviosas (axones) a lo largo de toda la médula espinal, llevando a la recuperación de la sensación y del movimiento. Después de once semanas de la lesión, crecieron nuevas fibras nerviosas a través de la lesión conectando con la médula espinal. Este efecto prolongado sorprendió a los investigadores porque se sabe que el andamio es biodegradable en cuestión de un par de semanas.

También se notó que, además de promover la supervivencia de las células que ayudan a reparar los nervios dañados (oligodendrocitos) y de mejorar directamente el crecimiento de la extensión nerviosa, las IKVAV-PA suprimieron el crecimiento de células cicatrizantes (astrocitos), reduciendo por lo tanto la formación de cicatriz. El tejido cicatrizante que se forma después de una lesión o cirugía en la médula espinal impide la regeneración nerviosa. La terapia de nanofibra sería muy útil si se administrara poco después de la lesión, para poder disminuir la formación de tejido cicatrizante y rescatar los nervios dañados mientras sigan vivos.

 

Esperanza para los Paralíticos

En un tubo de ensayo, las nanofibras bioactivas impulsaron a las células neurales progenitoras, las predecesoras inmaduras de las células en el sistema nervioso central, para diferenciarse en neuronas. Si las IKVAV-PA pueden hacer lo mismo en el cuerpo humano, existe esperanza para la recuperación de lesión nerviosa crónica, como la parálisis prolongada. Al estimular estas células progenitoras, incluso las neuronas muertas podrían ser potencialmente reemplazadas. “Podría ser la misma terapia, pero una diferente estrategia. Después de una lesión, puede ser que algunos axones mueran completamente, y que otros no hagan las mismas conexiones. Si usted tiene una terapia que pueda mejorar de alguna manera la regeneración axonal, valdría la pena realizar una cirugía que remueva la cicatriz y luego aplique la terapia”, explica Stupp. Se podría aplicar el tratamiento para tratar lesiones del sistema nervioso tanto centrales (del cerebro) como periféricas (de extremidades).

 

Característica Únicas de las IKVAV-PA

El autoensamblaje de nanofibras es una característica única de las IKVAV-PA. La inyección de IKVAV o laminina sin el andamio PA no produjo el mismo beneficio de recuperación que las IKVAV-PA. De manera importante, la reducción de cicatriz ocurrió solamente con las IKVAV-PA, sugiriendo que la nanoestructura del andamio mismo juega un papel biológico, posiblemente por exponer las células a una alta densidad de moléculas IKVAV.

 

Aplicaciones y Futuras Direcciones

Anteriormente, se estudiaban los andamios poliméricos para la regeneración de tejidos como una forma de sostener las células mecánicamente, pero dichos andamios no era bioactivos. Stupp y su equipo se encuentran entre los pioneros en el campo de los nanomateriales bioactivos para la regeneración de tejido. A pesar de que en esta etapa el tratamiento con IKVAV-PA permite solamente la recuperación parcial de la función después de una lesión de médula espinal, el mejorar la estabilidad y las propiedades mecánicas del andamio podría mejorar considerablemente su rendimiento. “Nuestro trabajo relativamente reciente, apoyado también por el NIBIB, ha demostrado que podemos controlar las propiedades mecánicas del andamio cambiando las secuencias en los dominios donde se supone que no debe haber ninguna bioactividad. La IKVAV es el dominio bioactivo, pero existe también otro domino, que se utiliza para colocar aminoácidos para fomentar la formación de fibras cilíndricas. Podría decir que, desde una perspectiva de bioingeniería, ese descubrimiento que hicimos fue muy crítico”, comenta Stupp.

En el futuro, los investigadores serán capaces de diseñar andamios con varias moléculas bioactivas en su superficie, ordenando a las células a comportarse en una determinada manera. “Tenemos PAs que son de interés en la formación de vasos sanguíneos, hueso, y cartílago, así como en la curación de heridas y en la enfermedad de Parkinson. Además, tenemos un proyecto acerca de PAs que son citotóxicos y que matan células cancerosas”, dice Stupp.

Por lo tanto, a pesar de que quizá todavía no represente una cura milagrosa para la parálisis, la tecnología de nanofibra biológicamente activa podría convertirse en una herramienta importante en el tratamiento de una gran variedad de condiciones médicas.

Este trabajo está apoyado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas.

 

Referencias

Huang Z, Sargeant T, Hulvat JF, Mata A, Bringas Jr P, Koh C-Y, Stupp SI, and Snead ML. Bioactive nanofibers instruct cells to proliferate and differentiate during enamel regeneration. Journal of Bone and Mineral Research. In press.

Tysseling-Mattiace VM, Sahni V, Niece KL, Birch D, Czeisler C, Fehlings MG, Stupp SI, Kessler JA. Self-assembling nanofibers inhibit glial scar formation and promote axon elongation after spinal cord injury. J Neurosci. 2008 Apr 2;28(14):3814–23.

Capito RM, Azevedo HS, Velichko YS, Mata A, Stupp SI. Self-assembly of large and small molecules into hierarchically ordered sacs and membranes. Science. 2008 Mar 28;319(5871):1812–6.