Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Nuevos Adhesivos Para Articulaciones Dañadas

Monday, December 29, 2008

Millones de personas sufren de dolor en las articulaciones causado por daño en los cartílagos, el tejido lubricante que se encuentra en las puntas de los huesos en diversos lugares del cuerpo, incluyendo las articulaciones. Las causas principales de daño en los cartílagos son las lesiones deportivas y la artritis. En la artritis, el cartílago de las articulaciones se pierde de manera permanente, haciendo que incluso movimientos simples sean muy dolorosos. Para muchos pacientes, el alivio llega solamente a través de un reemplazo total de la articulación, una operación quirúrgica que conlleva riesgos, incluyendo coágulos sanguíneos y lesiones nerviosas.

La reparación de cartílago es una alternativa al reemplazo total de la articulación. El cartílago es particularmente difícil de reparar debido a que es muy resbaloso. Los adhesivos actualmente disponibles para dichas reparaciones tienen limitaciones. Los adhesivos sintéticos no son altamente compatibles con los tejidos, y sus contrapartes biológicas – que sí son compatibles con los tejidos – no tienen suficiente fuerza adherente para trabajar en el cartílago. Jennifer Elisseeff, Profesora Asociada de Ingeniería Biomédica, y su equipo de investigación en la Universidad de Johns Hopkins están explorando nuevas formas de adherir el tejido cartilaginoso. Han modificado una sustancia natural del azúcar llamada Sulfato de Condroitina (CS por sus siglas en Inglés) que permite que un material gelatinoso llamado hidrogel se “pegue” al tejido cartilaginoso.

Los hidrogels, como el material con el que se hacen los lentes de contacto suaves, son ideales para la ingeniería de tejidos porque se integran bien al cuerpo, ayudan al intercambio de nutrientes-desperdicio, y promueven un nuevo crecimiento de tejido. Estos materiales sintéticos pueden también ser infundidos con nutrientes y células. El adhesivo CS de Elisseeff, el cual une químicamente el hidrogel al cartílago, es simple de manejar y no es dañino para el tejido cartilaginoso. El adhesivo CS es una opción atractiva para la reparación de tejido debido a su actividad antiinflamatoria, mejor cicatrización de heridas, y habilidad para absorber nutrientes y agua – lo cual representa casi el 80% de la masa de cartílago. El adhesivo CS reduce la inflamación por medio de varios mecanismos, incluyendo la disminución de la actividad de los glóbulos blancos en las articulaciones, y promueve la cicatrización mediante la prevención de degradación de cartílago y la estimulación de producción de proteoglicanos, uno de los componentes del cartílago.

 

Ingeniería de Tejidos para el Crecimiento de Cartílago

El adhesivo CS es aplicado a la superficie cartilaginosa con un hisopo (Paso 1). Se añade hidrogel encima del tejido tratado con el adhesivo y se polimeriza con luz. El adhesivo CS une químicamente el hidrogel al cartílago (Paso 2). Células formadoras de cartílago (rojo) se pueden incorporar en el hidrogel.

The CS adhesive is applied to the cartilage surface with a swab (Step 1). Hydrogel is added on top of the tissue treated with the adhesive and polymerized by light. The CS adhesive chemically binds the hydrogel to the cartilage (Step 2). Cartilage-forming cells (red) can be incorporated in the hydrogel.

Elisseeff probó inicialmente el nuevo adhesivo en el laboratorio, utilizando una pieza de cartílago sacada del cuerpo. Aplicó una capa de adhesivo CS al tejido cartilaginoso dañado y añadió una capa de hidrogel que contenía células cartilaginosas (condrocitos). Utilizando una sofisticada tecnología de imágenes, Elisseeff verificó que el adhesivo CS estaba adherido e integrado al cartílago. Las células en el hidrogel crecieron y secretaron componentes cartilaginosos, formando tejido nuevo que unió al hidrogel con el cartílago viejo.

Para poder transferir su novedosa tecnología del tubo de ensayo a la clínica, Elisseeff combinó el adhesivo CS con una cirugía comprobada en el tiempo para reparación de articulaciones llamada microfractura. En vez de transplantar células, lo cual es muy costoso y conlleva el riesgo de infección, la microfractura permite usar las células madre propias para regenerar el tejido defectuoso. En este procedimiento, se hacen pequeños orificios en el tejido por debajo del área del cartílago dañado. A través de estos orificios, las células madre de médula ósea que lleva la sangre migran hacia la superficie del hueso donde eventualmente comienzan a producir tejido cartilaginoso nuevo. Comparados con microfracturas no tratadas, los implantes de CS-hidrogel mejoraron considerablemente el nivel de reparación de cartílago por un periodo de 6 meses cuando se probaron en las rodillas de cabras.

 

Nuevo Adhesivo Será Utilizado en la Clínica

Un método similar se está probando actualmente en la Fase I de un ensayo clínico en personas con lesiones de rodilla. Elisseeff explica que “Todos los pacientes están reaccionando bien, pero es muy pronto para determinar todavía si el nuevo adhesivo mejora el índice de reparación de cartílago. Una cosa buena de nuestro material es que previene la formación de tejido cicatrizante, que se forma a menudo después de la microfractura sola. De tal manera que tienes gente que siente alivio inicial a sus síntomas porque tienen tejido formándose en ese defecto, pero eso es lo que se llama cartílago tipo cicatriz, en lugar de cartílago real”. El doctor Norman Marcus colaborador de Elisseeff, un cirujano ortopedista en el Instituto del Cartílago en Virgina e investigador en el ensayo clínico del adhesivo CS, añade que el CS es uno de los adhesivos conocidos más fuertes para cartílago. Los métodos de microfractura fallan a menudo debido a que las células de médula ósea tienden a dispersarse. El adhesivo CS permite que las células se queden donde se necesitan, dentro del cartílago dañado, y “el hidrogel ofrece un ambiente favorable para que las células crezcan y maduren”, dice Marcus. El procedimiento común para defectos mayores de cartílago es el transplante de aloinjerto, el cual utiliza piezas de cartílago de cadáveres como “tapones” para llenar los orificios. “Podría ser útil el tener un adhesivo para conectar el tejido viejo con el nuevo”, añade Elisseeff, quien está desarrollando actualmente nuevos adhesivos para ligar tejidos entre sí sin la necesidad del hidrogel.

(A) Una capa transparente de células en hidrogel se une al tejido cartilaginoso subyacente a través del adhesivo CS. (B) Células (verde) en el hidrogel adyacente al adhesivo CS y dentro del cartílago sobreviven 5 semanas en cultivos de tejido.

(A) A transparent layer of hydrogel-containing cells is bound to the underlying cartilage tissue via the CS adhesive. (B) Cells (green) in the hydrogel adjacent to the CS adhesive and within the cartilage survive 5 weeks in tissue culture.

En la frontera de la ingeniería de tejido está el uso de células madre de embriones humanos en lugar de células madre adultas de médula ósea. Elisseeff demostró que cuando se combinan con los biomateriales apropiados, estas células pueden transformarse en tejido óseo o cartilaginoso. A pesar de ser prometedoras, las aplicaciones clínicas de tecnologías de células madre enfrentan obstáculos en temas de seguridad y de costo. Marcus concluye que “No queremos inventar algo que sea tan caro que no pueda usarse. Necesitamos algo que se pueda aplicar ampliamente y que por lo regular funcione. Si puedes usar células in situ, entonces tendrás seguridad y buenas finanzas”. Se espera que nuevas tecnologías y materiales de adhesión e integración al cartílago mejoren las intervenciones ortopédicas y otras cirugías, incluyendo la reparación de discos en la espalda y el sellado de incisiones de cataratas en los ojos.

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

 

Referencia

Wang D-A, Varghese S, Sharma B, Strehin I, Fermanian S, Gorham J, Fairbrother DH, Cascio B, Elisseeff JH. Multifunctional chondroitin sulphate for cartilage tissue-biomaterial integration. Nat Mater. 6(5):385-92; 2007.