El cartílago articular constituye una variedad de tejido conjuntivo que recubre los extremos de las articulaciones sinoviales proveyendo una superficie de baja fricción y distribuyendo la carga al hueso subcondral subyacente. El cartílago se caracteriza por su baja densidad celular y por la ausencia de vascularización e invervación, lo que hace muy difícil su autoreparación tras una lesión. El escaso éxito de los tratamientos convencionales aplicados hasta el momento, ha potenciado en los últimos años el desarrollo de la ingeniería de tejidos para la reparación de lesiones del cartílago.
En este trabajo, se elaboran y ensayan dos sistemas biocompatibles, evaluando su capacidad condrogénica en la reparación de un defecto osteocondral crítico en fémur de conejo. El primer sistema, un scaffold de doble capa de alginato-PLGA (ALG-PLGA), conteniendo BMP-2 (2.5 y 5 µg) o TGF-β1 (50 ng) (FC) encapsulados en microesferas de PLGA, controló de manera eficaz la liberación de los FC, y mostró una alta tasa de reparación a las 12 semanas postimplantación, en todos los grupos tratados con FC.
El segundo sistema, también de doble capa, incorporó un nuevo poliuretano segmentado (SPU) en sustitución del alginato, y mostró igualmente excelentes resultados en el control de la liberación de los FC, y en la reparación del defecto a las 12 semanas postimplantación, en todos los grupos tratados con FC.
En función de varios aspectos, entre ellos la velocidad de degradación de los sistemas, se seleccionó el sistema de ALG-PLGA como el más idóneo, y la BMP-2 a dosis de 5µg como la más adecuada, para evaluar, de forma comparativa, la capacidad condrogénica del tratamiento con células madre mesenquimales derivadas de la médula ósea (MSC) o condrocitos autólogos (rbC), solas, o en combinación con BMP-2. La eficacia reparadora de todos los tratamientos individuales o en combinación fue la misma a las 12 semanas postimplantación.
El análisis global de los resultados muestra por una parte, que ambos sistemas son adecuados para su aplicación en ingeniería de tejidos, y por otra, justifica el uso de FC (BMP-2/TGF-β1) frente a la terapia celular en medicina regenerativa del cartílago.
Índice
1. Introducción
1.1 Generalidades del tejido cartilaginoso
1.2 Composición del cartílago articular
1.2.1 Agua
1.2.2 Condrocitos
1.2.3 Colágenos
1.2.4 Glicosaminoglicanos (GAG)
1.2.5 Proteoglicanos
1.2.6 Proteínas multiadhesivas
1.2.7 Zonación del cartílago articular
1.3 Aspectos funcionales del cartílago articular
1.3.1 Propiedades mecánicas del cartílago articular
1.3.2 Variaciones en las propiedades mecánicas del cartílago articular
1.4 Lesión del cartílago articular
1.4.1 Tipos de lesiones y respuesta natural
1.4.2 Aproximaciones clínicas en la reparación del cartílago articular
1.4.3 Ingeniería de tejidos en la reparación del cartílago articular
1.4.3.1 Tipo celular
1.4.3.2 Andamios-matrices 3D-scaffolds
1.4.3.3 Factores de crecimiento
1.4.4 Tendencias actuales en ingeniería de tejidos en la reparación del cartílago articular
2. Hipótesis de trabajo y objetivos
3. Materiales y métodos
3.1 Ensayos de doble capa
3.1.1 Preparación de las microesferas
3.1.2 Preparación del scaffold o implante de doble capa ALG-PLGA /SPU-PLGA
3.1.3 Ensayos de cesión in vitro de BMP-2 y TGF-β1
3.1.4 Bioactividad de la BMP-2 y del TGF-β1
3.1.5 Procedimiento quirúrgico
3.1.6 Experimentos de cesión in vivo y biodistribución de BMP-2 y TGF-β1
3.1.7 Evaluación y puntuación histológica
3.1.8 Inmunohistoquímica
3.1.9 Análisis cuantitativo
3.1.10 Análisis estadístico
3.2 Ensayos de triple capa
3.2.1 Preparación de las microesferas
3.2.2 Preparación del scaffold o implante de triple capa alginato-PLGA
3.2.3 Células
3.2.3.1 Aislamiento y cultivo de células madre mesenquimales derivadas de la médula ósea de conejo (MSC)
3.2.3.2 Aislamiento y cultivo de condrocitos de conejo (rbC)
3.2.3.3 Carga de las células en el scaffold y tratamiento
3.2.3.4 Tinción con Ioduro de propidio (PI)
3.2.3.5 Cuantificación de células adheridas al scaffold
3.2.4 Procedimiento quirúrgico. Evaluación histológíca histomorfométrica e inmunohistoquímica
4. Resultados
4.1 Caracterización de las microesferas y del cilindro poroso de PLGA
4.2 Scaffold de doble capa ALG-PLGA
4.2.1 Caracterización del sistema
4.2.2 Cesión in vitro de BMP-2 y TGF-β1
4.2.3 Bioactividad de la BMP-2 y el TGF-β1
4.2.4 Cesión in vivo de BMP-2 y TGF-β1
4.2.5 Biodistribución de la BMP-2 y el TGF-β1
4.2.6 Análisis histológico
4.2.7 Puntuación histológica
4.3 Scaffold de doble capa SPU-PLGA
4.3.1 Caracterización del sistema
4.3.2 Cesión in vitro de BMP-2 y TGF-β1
4.3.3 Cesión in vivo de BMP-2 y TGF-β1
4.3.4 Biodistribución de la BMP-2 y el TGF-β1
4.3.5 Análisis histológico
4.3.6 Puntuación histológica
4.4 Scaffold de triple capa ALG-PLGA
4.4.1 Caracterización del sistema
4.4.2 Condiciones de cultivo de MSC y condrocitos para ser expandidas en el scaffold
4.4.3 Análisis histológico
4.4.4 Puntuación histológica
5. Discusión
5.1 Sistemas de doble capa conteniendo BMP-2 y TGF-β1
5.2 Sistema de triple capa conteniendo células, BMP-2 o combinaciones de ambos
6. Conclusiones
7. Bibliografía
Objetivos y temas de la investigación
El objetivo principal de esta tesis doctoral es el desarrollo, caracterización y optimización de andamios (scaffolds) capaces de liberar factores de crecimiento o albergar células para reparar lesiones osteocondrales, evaluando su eficacia en la regeneración de cartílago hialino funcional.
- Desarrollo de sistemas de doble capa (ALG-PLGA y SPU-PLGA) para la liberación controlada de proteínas morfogenéticas (BMP-2) y factores de crecimiento transformantes (TGF-β1).
- Optimización de sistemas de triple capa que integran factores de crecimiento y tipos celulares específicos (células madre mesenquimales y condrocitos).
- Evaluación histológica e inmunohistoquímica de la reparación del cartílago y del hueso subcondral en modelos experimentales animales.
- Análisis de la eficacia comparativa entre la terapia mediante factores de crecimiento y la terapia celular.
Auszug aus dem Buch
1.1 Generalidades del tejido cartilaginoso
El cartílago es una variedad de tejido conjuntivo aneural, avascular y alinfático. Al igual que en otras variedades de tejido conjuntivo, los condrocitos, tipo celular exclusivo del cartílago, deriva de células madre mesenquimales (MSC) procedentes de la médula ósea (Mow et al., 1992). La matriz extracelular del cartílago (MEC) está compuesta de colágeno (60%), proteoglicanos (25%) y glucoproteínas (15%) y es sintetizada por los condrocitos (Buckwalter et al., 2005). Durante el desarrollo del sistema esquelético, el cartílago crece rápidamente y se mineraliza posteriormente para formar hueso. Durante la fase inicial del proceso de reparación de una fractura ósea, se produce la formación de un molde inicial de cartílago que posteriormente se osifica y mineraliza para restaurar el tejido lesionado.
En el estado adulto, el cartílago se clasifica en tres tipos, hialino, elástico y fibroso (Krause y Cutts, 1994). El cartílago hialino presenta aspecto vítreo (gr. hyalos, vidrio) y forma los cartílagos costales, el cartílago articular presente en las uniones de las articulaciones, y los cartílagos de la nariz, laringe, tráquea y bronquios. El cartílago elástico se encuentra formando parte del cartílago de la epiglotis, del cartílago del pabellón auditivo externo y del conducto auditivo y en algunos de los pequeños cartílagos laríngeos.
Resumen de capítulos
1. Introducción: Presenta las características biológicas del tejido cartilaginoso, sus componentes y los fundamentos de la ingeniería de tejidos para la reparación de lesiones articulares.
2. Hipótesis de trabajo y objetivos: Define la premisa de investigación centrada en la eficacia de la BMP-2 y la cinética de liberación en el lugar de la lesión frente a otros factores de crecimiento.
3. Materiales y métodos: Detalla las metodologías experimentales, incluyendo la preparación de microesferas, la fabricación de scaffolds, los procedimientos quirúrgicos y los análisis histológicos realizados.
4. Resultados: Expone los hallazgos técnicos sobre la caracterización de los sistemas, los perfiles de liberación y la evaluación de la reparación tisular in vivo.
5. Discusión: Analiza e interpreta los resultados obtenidos, comparando la eficacia de los distintos sistemas y el impacto de los factores de crecimiento en la regeneración.
6. Conclusiones: Resume los hallazgos principales, confirmando la eficacia de los sistemas desarrollados para la reparación de defectos osteocondrales.
Palabras clave
Biomateriales, cartílago articular, regeneración tisular, andamios, factores de crecimiento, BMP-2, TGF-β1, células madre mesenquimales, condrocitos, ingeniería de tejidos, PLGA, alginato, poliuretano segmentado, osteoartritis, reparación osteocondral.
Preguntas frecuentes
¿En qué consiste fundamentalmente esta investigación?
La tesis investiga el desarrollo de sistemas de biomateriales (scaffolds) para la regeneración de cartílago articular dañado, enfocándose en la liberación controlada de factores de crecimiento y el uso de células madre.
¿Cuáles son los temas principales tratados en el estudio?
Los temas centrales incluyen la composición del cartílago articular, el diseño de implantes tridimensionales (de dos y tres capas), la cinética de liberación de proteínas y la evaluación histológica de la reparación tisular.
¿Cuál es el objetivo principal del proyecto?
El objetivo es demostrar que el uso de BMP-2 mediante una liberación controlada permite una reparación eficiente y funcional de defectos osteocondrales, ofreciendo una alternativa viable a terapias más complejas.
¿Qué metodología científica se emplea?
Se utiliza una metodología experimental in vivo en un modelo de conejo, combinando técnicas de ingeniería de tejidos, histología, inmunohistoquímica y análisis cuantitativos mediante marcadores proteicos.
¿Qué aspectos se abordan en el capítulo de resultados?
Se analiza la caracterización física de los implantes, los perfiles de liberación in vitro e in vivo, la biodistribución de las proteínas y la evaluación histológica comparativa de la regeneración del cartílago.
¿Qué palabras clave definen mejor esta obra?
Biomateriales, ingeniería de tejidos, cartílago articular, regeneración osteocondral y liberación controlada son los conceptos clave que caracterizan la investigación.
¿Por qué se comparan diferentes materiales como el alginato y el poliuretano?
Se comparan para evaluar cuál ofrece mejores propiedades tecnológicas, control de liberación y capacidad de degradación, buscando optimizar el sistema de reparación más adecuado para la práctica clínica.
¿Cuál es la conclusión sobre la efectividad de combinar células con factores de crecimiento?
Aunque la combinación muestra resultados positivos tempranos, el estudio concluye que a largo plazo, la eficacia de los tratamientos individuales con factores de crecimiento es comparable a la de las combinaciones celulares, siendo estos sistemas más económicos y fáciles de manejar.
¿Cómo se garantiza que el factor de crecimiento no causa efectos secundarios?
El estudio demuestra, mediante análisis de biodistribución, que los factores de crecimiento permanecen localizados en el sitio del implante, evitando una exposición sistémica indeseada.
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- Ricardo Reyes Rodríguez (Author), 2017, Biomateriales, factores de crecimiento y células para regeneración de cartílago, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/419055
