Nanomateriales para terapias regenerativas avanzadas: aprovechando su potencial

¿Quién no ha visto alguna vez una película en la que un ser humano puede regenerar su cuerpo después de recibir un disparo o una puñalada?

Un ejemplo famoso es la autocuración de Lobezno. Aunque todavía estamos lejos de lograr tal hazaña, a veces son precisamente estas fantasías las que impulsan los avances científicos, y quizás pronto podamos hacerlas realidad.

Un gran paso en esta dirección es la producción de tejidos artificiales para reemplazar los naturales que se han perdido o ya no son funcionales, como una prótesis de titanio.

Sin embargo, para alcanzar el nivel de los personajes de Marvel en la regeneración de nuestros cuerpos, necesitamos subir un escalón y llevar nuestra tecnología al siguiente nivel; y parece que hemos comenzado a toda velocidad.

Los científicos han desarrollado una nueva estrategia que ayuda al cuerpo humano a regenerar sus propios tejidos utilizando enfoques basados en nanomateriales para controlar el crecimiento celular, la respuesta inmune y la remodelación tisular.

Este emocionante nuevo campo de la ciencia se conoce como medicina regenerativa.

¡Permítanme contarles más sobre ello!

¿Qué tienen que ver los nanomateriales con la medicina regenerativa?

En uno de nuestros artículos anteriores Nanopartículas magnéticas avanzadas para la detección y tratamiento del cáncer, vimos cómo cuando un material se reduce a dimensiones muy pequeñas, puede adquirir propiedades radicalmente diferentes. La ciencia está logrando, día a día, encontrar nuevas aplicaciones para estas propiedades nanotecnológicas.

Una de las grandes promesas de los nanomateriales es la capacidad de 'modular' la respuesta inmune uniéndolos a biomoléculas humanas (anticuerpos, citocinas, hormonas, etc.).

Pero, ¿qué significa esta 'modulación'?

Controlar la respuesta inmune

El sistema inmunitario es el ejército de nuestro cuerpo. Y como en cualquier ejército, los soldados no solo se usan para atacar y destruir, sino también como recursos de apoyo. Por ejemplo, el sistema inmunitario trata todo tipo de contingencias, como la renovación de tejidos tras una lesión, y ayuda a controlar desequilibrios ambientales, eliminando toxinas del metabolismo o sustancias extrañas dañinas.

Este control, o modulación, está orquestado por un sinfín de biomoléculas (p. ej., citocinas, interleucinas y hormonas) cuya concentración actúa como señal para las células indicándoles cómo deben comportarse en todo momento.

Cuando usamos un material artificial en un paciente para cubrir una quemadura, por ejemplo, es deseable que finalmente se integre en el cuerpo del paciente. Concretamente, nos gustaría que las células del paciente colonizaran y crecieran en el nuevo material para que, eventualmente, sea reemplazado por el propio tejido del paciente.

Desafortunadamente, el sistema inmunitario a menudo reconoce el material como una entidad ajena a nuestro cuerpo y trata de aislarlo creando una pared a su alrededor compuesta de tejidos conectivos fibrosos mediante un proceso conocido como fibrosis. Este es un material pobre en células pero rico en moléculas (macromoléculas como colágeno o fibrina) que sustentan las células estructuralmente. Tiene propiedades significativamente diferentes a las del tejido original. Muchos de ustedes reconocerían lo rígido que se siente un tejido cicatricial comparado con la piel normal. Una cicatriz ubicada en una articulación puede incluso impedir su movimiento.

Figura 1 Formación de cicatriz hipertrófica con contractura articular Aarabi S, Longaker MT, Gurtner GC (2007) Hypertrophic Scar Formation Following Burns and Trauma: New Approaches to Treatment. PLoS Med 4(9): e234. doi:10.1371/journal.pmed.0040234 — https://www.plosmedicine.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pmed.0040234

Destacado en mi artículo anterior De PLA a Bioimpresión: herramientas de ciencia ficción para el campo médico, una estrategia para lidiar con este rechazo del sistema inmunitario es usar biomateriales para construir andamios (estructuras de soporte para ser colonizadas por las propias células del paciente) a partir de moléculas como el colágeno. Desafortunadamente, si implantamos un andamio compuesto solo de fibras de colágeno, el cuerpo termina reabsorbiendo este material y, en el mejor de los casos, reemplazándolo con fibrosis.

Esto puede interesarnos si queremos crear una "cicatriz artificial", por ejemplo, para reparar la pared abdominal tras una hernia; en cuyo caso podríamos usar una malla Phasix™ hecha de Poli-4-hidroxibutirato (P4HB) para reparar el defecto de la pared.

Para lograr la integración funcional de cualquier implante, debemos impulsar la diferenciación celular (es decir, dar a cada célula su tipo y función específicos) y evitar la posibilidad de que el sistema inmunitario rechace el implante. Podemos hacer esto utilizando nanomateriales como 'transportadores' para administrar las biomoléculas y como señales para dirigir este proceso.

Pero, ¿qué pasaría si pudiéramos inmovilizar o dirigir esas biomoléculas a cualquier lugar que queramos?

¿Podríamos controlar el sistema inmunitario?

Por ejemplo, la combinación de nanomateriales y anticuerpos puede usarse para potenciar la respuesta inmune, como en la lucha contra el cáncer (nanopartículas de óxido de hierro modificadas con anticuerpos).

Algunos nanomateriales en sí mismos ya tienen efectos inhibidores o estimuladores directos (dependiendo del material) sobre la respuesta inmune (metales nobles, nanopartículas de óxido metálico, óxido de cerio o dendrímeros son algunos ejemplos). Así, simplemente recubriendo la superficie de un implante con esas nanopartículas, podemos realmente detener un ataque del sistema inmunitario contra él. [1]

Figura 2 Nanomateriales con efectos inhibidores directos sobre la respuesta inmune Ngobili Terrika A, Daniele Michael A. Nanoparticles and direct immunosuppression.1 May, 2016 Experimental Biology and Medicine 106 Volume: 241 issue: 10, pages: 1064-1073 ; https://doi.org/10.1177/1535370216650053 https://journals.sagepub.com/doi/abs/10.1177/1535370216650053

Estrategias para inmovilizar nanomateriales y biomoléculas en superficies de implantes

Como ya mencionamos, hay dos razones principales para querer recubrir la superficie de un implante: ya sea para aumentar su biocompatibilidad (para evitar que el sistema inmunitario lo ataque) o para fijar biomoléculas que estimulen y dirijan la proliferación celular (para reemplazar el implante con el propio tejido del paciente).

La idea de implantar un andamio biodegradable (recubierto con factores de crecimiento) para ser reemplazado con el tiempo por el tejido del paciente es un tema que ya discutimos en De PLA a Bioimpresión: herramientas de ciencia ficción para el campo médico. Tales andamios aún están en fase de investigación, pero es solo cuestión de años antes de que potencialmente comencemos a verlos entrar en la práctica clínica.

Aumentar la biocompatibilidad de materiales extraños es una necesidad actual para la industria. Para asegurar que el cuerpo humano no rechace un biomaterial implantado, tenemos que adherir el recubrimiento (nanomateriales o complejos nanomaterial-biomolécula) que regula el sistema inmunitario a la superficie de nuestro implante. Así, cuando una célula del sistema inmunitario se acerque demasiado, el recubrimiento inhibe la célula y previene la generación de una reacción inflamatoria alrededor del implante.

Pero, ¿cómo podemos hacer tal recubrimiento?

Básicamente hay dos formas de 'pegar' el recubrimiento a un implante: inmovilización no covalente e inmovilización covalente.

Inmovilización no covalente (INC):

La INC es la estrategia más simple y barata para recubrir el implante, pero depende en gran medida de lo hidrofílico que sea el material del implante. Se basa en las cargas electrostáticas que generarían una fuerza de atracción entre el material que estamos implantando y el recubrimiento.

Este método proporciona una liberación rápida de biomoléculas, por lo que es más conveniente cuando estamos interesados en una respuesta abrupta pero de corta duración. Su mayor ventaja, además, es su bajo costo de fabricación.

La INC puede aplicarse ya sea por adsorción (pequeñas partículas de tamaños entre 500 Å y 1 mm adhiriéndose a la superficie) o atrapamiento (partículas atrapadas en una matriz porosa). [2]

En el atrapamiento, la matriz se fabrica con polímeros solubles en agua como carragenina, colágeno parcialmente hidrolizado (gelatina), alginato, agar o triacetato de celulosa.[2, 3]

Pero, ¿qué sucede cuando el material del implante es hidrofílico y la biomolécula es hidrofóbica (o viceversa)?

Una idea simple puede ser una solución efectiva: ¡encapsulación de la biomolécula!

La encapsulación es el encerramiento de la biomolécula, que puede realizarse fácilmente usando polímeros, como agarosa, polietilenglicol (PEG) o polivinilpirrolidona (PVP).

Un ejemplo de este método es el uso de un andamio de polisulfona lleno de una solución de gel de agarosa infusionada con biomoléculas para guiar la regeneración de fibras nerviosas y reducir la inflamación [4].

Además, si el andamio no es lo suficientemente hidrofílico, la mejor estrategia para inmovilizar la biomolécula es encapsularla en una fase acuosa separada mediante un proceso llamado agua-en-aceite-en-agua (o doble emulsión). También podemos realizar absorción directa en la superficie del material usando disolventes orgánicos.

Un ejemplo de un polímero hidrofóbico ampliamente utilizado en la inmovilización de biomoléculas como factores hormonales o incluso fármacos es el poli(ácido láctico-co-glicólico) (PLGA).

Inmovilización covalente (IC)

La inmovilización covalente consiste en crear un enlace irreversible entre nuestras biomoléculas específicas y el polímero del que está hecho nuestro implante usando lo que llamamos agentes de entrecruzamiento; esos son compuestos químicos que reaccionan a una condición física (calor, luz…) y nos ayudan a crear un enlace que podría unir, por ejemplo, una cadena de polímero a otra (podríamos imaginarlos como grilletes que se cierran usando luz o calor para unir ambos polímeros).

Este método conduce a un efecto mucho menos abrupto en el sistema inmunitario, aunque es mucho más duradero; por lo tanto, es preferible usarlo cuando estamos interesados en una respuesta a largo plazo y estable.

La mayor ventaja de este método es que nos permite realizar una diferenciación tisular estratificada. Esto significa que podemos diseñar diferentes puntos de unión en nuestro andamio para diferentes factores, creando así regiones con diferentes concentraciones de biomoléculas para promover un tejido estructurado diferencialmente.

Como elemento base, se pueden usar andamios de colágeno-glicosaminoglicano (CG) (usando carbodiimida como agente de entrecruzamiento dada la ubicuidad de grupos NH2 en su superficie).

Un ejemplo de inmovilización covalente sería la conjugación de polietilenimina (PEI) con heparina para crear una vaina con el fin de aumentar la biocompatibilidad de superficies de aleación NiTi [5].

Un método de entrecruzamiento que está ganando importancia en los últimos años es el uso de acrilatos para polimerizar hidrogeles de PEG. Los acrilatos son grupos funcionales sensibles a la luz ultravioleta. Estos grupos pueden agregarse a péptidos (u otros factores de crecimiento), guiando así la síntesis por fotopolimerización de andamios compuestos por híbridos polímero-biomolécula. La posibilidad de integrar este proceso con impresión 3D para dar un patrón estructural a nuestro andamio está haciendo de la fotopolimerización uno de los métodos más relevantes para inmovilizar biomoléculas.

Procesos alternativos de fotolitografía también se han diseñado, por ejemplo, el Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Interfases y Biotecnología usa un método que consiste en unir factores de crecimiento a andamios CG usando benzofenona (BP). [6, 7]

Otro objetivo más selectivo, debido a su menor ubicuidad con respecto al grupo NH2, es el grupo SH. Los agentes de entrecruzamiento basados en sulfhidrilo se usan ampliamente para crear un recubrimiento que inhiba la activación del complemento (un componente muy importante del sistema inmunitario) contra nuestro injerto [8].

Figura 3 Ejemplo de Inmovilización Enzimática por Enlace Covalente Fu J, Reinhold J, Woodbury NW (2011) Peptide-Modified Surfaces for Enzyme Immobilization. PLoS ONE 6(4): e18692. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0018692 https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0018692

Conclusiones

Así que, claramente, hay diferentes estrategias para inmovilizar biomoléculas en la superficie de un material para controlar la respuesta inmune o el proceso de diferenciación.

Antes de elegir un método de inmovilización, es importante conocer las propiedades del material que va a usar y la curva de perfil de liberación de biomoléculas que desea lograr. El mejor enfoque es una combinación de diferentes métodos de conjugación, teniendo en cuenta que el sistema inmunitario no tiene una naturaleza estática. Muestra una variación dinámica a lo largo del tiempo.

El recubrimiento de implantes usando nanomateriales (o complejos nanomaterial-biomolécula) para aumentar la biocompatibilidad de los implantes se usa ampliamente hoy en día. Sin embargo, este hecho contrasta fuertemente con el caso de la fabricación de andamios con una concentración estratificada de biomoléculas encapsuladas o unidas. A pesar de la enorme cantidad de actividad en este campo, no hay muchas empresas hoy que proporcionen estos andamios, y hay muchas acciones regulatorias aún por abordar antes de llevar estos productos al mercado.

Eso significa que tendremos que esperar un poco más para poder lograr una curación completa sin cicatrices. Pero la espera, muy probablemente, no será larga. Esta tecnología prometedora bien podría usarse en la práctica médica diaria en tan solo unos años.