El cartílago artificial es un material sintético hecho de hidrogeles [1] o polímeros que tiene como objetivo imitar las propiedades funcionales del cartílago natural en el cuerpo humano. Los principios de ingeniería de tejidos se utilizan para crear un material no degradable y biocompatible que pueda reemplazar al cartílago. [2] Al crear un material de cartílago sintético útil, se deben superar ciertos desafíos. Primero, el cartílago es una estructura avascular en el cuerpo y, por lo tanto, no se repara a sí mismo. [3] Esto crea problemas en la regeneración del tejido. El cartílago sintético también debe estar unido de manera estable a su superficie subyacente, es decir, el hueso . Por último, en el caso de crear cartílago sintético para su uso en espacios articulares , la alta resistencia mecánica bajo compresión debe ser una propiedad intrínseca del material. [4]
Existen tres tipos de cartílago en el cuerpo humano: fibrocartílago , cartílago hialino y cartílago elástico . [3] Cada tipo de cartílago tiene concentraciones variables de componentes como proteoglicanos , colágeno y agua que determinan sus propiedades funcionales y ubicación en el cuerpo. El fibrocartílago se encuentra con mayor frecuencia en los discos intervertebrales , el cartílago elástico se encuentra en el oído externo y el cartílago hialino se encuentra en muchas superficies articulares del cuerpo. El reemplazo del cartílago hialino (cartílago articular) es la aplicación más común del cartílago sintético.
El cartílago es un tejido avascular, aneural y linfático del cuerpo. [5] La matriz extracelular (MEC) del colágeno es lo que le da su gran resistencia. La siguiente figura muestra los componentes de la MEC.
Existen tres zonas estructurales en el cartílago articular, que incluyen una zona tangencial superficial, una zona de transición media y una zona profunda. En la zona tangencial, las fibras de colágeno están alineadas en paralelo a la superficie y se van alineando de forma aleatoria gradualmente a medida que se desplazan hacia la zona profunda. Las fibras de colágeno en la zona superficial están alineadas en paralelo a la superficie para limitar las tensiones de cizallamiento. De manera similar, las fibras de colágeno están alineadas en perpendicular a la superficie en la zona profunda para limitar las fuerzas de compresión. [5] Entre el hueso y la zona profunda se encuentra el cartílago calcificado. La disposición celular también varía entre las zonas: en las zonas más profundas, los condrocitos se apilan en columnas, mientras que en las zonas superficiales están dispuestos de forma aleatoria. [3] En las regiones superficiales, las células también son más alargadas, mientras que en las zonas más profundas son de naturaleza más esférica. [5]
El cartílago sintético puede estar compuesto por muchos materiales diferentes que imitan sus propiedades funcionales. Los principios de la ingeniería tisular incluyen el uso de células, factores de crecimiento y estructuras sintéticas para lograrlo. [6]
El cartílago articular natural es un tejido no homogéneo , anisotrópico y viscoelástico . [10] La estructura, descrita anteriormente en 1.1.2. permite que el tejido cartilaginoso tenga propiedades mecánicas superiores para realizar las funciones necesarias. El cartílago sintético intentará imitar las propiedades funcionales del cartílago natural, que se pueden dividir en dos aspectos principales.
Estas son funciones importantes del cartílago debido a su papel como amortiguador en la articulación ósea. [12] Cuando se produce daño y degradación en el cartílago articular, ya no puede soportar las grandes cargas sin dolor y malestar del individuo debido a la disminución de las propiedades mecánicas.
Después de analizar las propiedades de carga y tribológicas del cartílago natural, estas propiedades mecánicas se pueden lograr dependiendo de la estructura y los componentes del hidrogel creado, lo que se discutirá más adelante en la sección Métodos existentes. [13] Estas propiedades óptimas se pueden comparar luego con el cartílago sintético creado. Las propiedades de los hidrogeles creados pueden diferir drásticamente en función de los componentes y la estructura. [10] Además, es extremadamente difícil lograr todas las funciones mecánicas del cartílago natural, que es el objetivo final del cartílago sintético.
A la hora de crear hidrogeles, hay funciones adicionales que deben tenerse en cuenta. Por ejemplo, el hidrogel debe tener las propiedades de degradación correctas para producir la regeneración celular en el tiempo correcto que tardará en degradarse. Además, el hidrogel no debe crear residuos tóxicos al degradarse. Estas funciones se han probado comparando la tensión , el módulo y el contenido de agua antes y después de la implantación de diferentes composiciones de hidrogeles. [14]
Existen muchos métodos existentes relacionados con las terapias regenerativas del cartílago, así como con el desarrollo de nuevos cartílagos artificiales. En primer lugar, se tratarán las terapias regenerativas para la osteoartritis. En los últimos años se han producido avances sustanciales en el desarrollo de estas terapias regenerativas, entre ellas la antidegradación, la antiinflamación y la regeneración del cartílago a partir de células y estructuras.
Se han utilizado muchos agentes biológicos y compuestos químicos para prevenir la acción de las enzimas que degradan la matriz y que trabajan activamente para degradar el cartílago. Los anticuerpos monoclonales, el más estudiado de los cuales es el 12F4.1H7, actúan para suprimir específicamente la liberación de agrecano inducida por ADAMTS-5. Esto, a su vez, ayuda a ralentizar la degradación del cartílago y la formación de osteofitos. [15]
La inhibición de los mediadores inflamatorios podría ayudar a prevenir la progresión de la osteoartritis . Las citocinas y las quimiocinas son cruciales para estimular el catabolismo del cartílago y bloquear estos mediadores inflamatorios. Los estudios han demostrado que el tratamiento con el inhibidor de la vía NF-κB BAY11-7082 restaura la condrogénesis inhibida por IL-1b de las células madre del cartílago y, a su vez, pospone la progresión de la artrosis. De manera similar, una amplia investigación muestra que el bloqueo combinado de TNFa e IL-17 con anticuerpos biespecíficos revela una inhibición de ambas citocinas para reducir la degradación del cartílago y las respuestas proinflamatorias. [15]
En algunos estudios se ha demostrado que la terapia celular y la reposición de condrocitos funcionan para restaurar el cartílago articular después de una lesión debido a la pérdida de condrocitos. La colocación de células madre mesenquimales (MSC ) autoensambladas sobre andamios de hidrogel cargados de condrocitos ha demostrado una regeneración mediada por células de cartílago de tipo hialino . Sin embargo, una desventaja de esto es que la implantación de estos andamios requiere una cirugía abierta para recolectar condrocitos donantes de áreas de cartílago articular que no soportan peso. Esto dificulta su aplicación en personas mayores. [15]
Junto con las terapias regenerativas también hay varios estudios que muestran formas de desarrollar nuevo cartílago artificial.
Un estudio analizó que las fibras tejidas en 3D proporcionan propiedades tribológicas de soporte de carga del cartílago nativo donde se intenta lograr un entorno casi sin fricción. Los hidrogeles se utilizan como portadores de células porque se pueden sembrar fácilmente con células. Sin embargo, es difícil recrear tanto las funciones biomecánicas como químicas del tejido natural. Los hidrogeles de redes de interpretación (IPN), son dos polímeros diferentes mezclados entre sí a escala molecular. Esto funciona para aumentar la tenacidad a la fractura . Son redes reticuladas iónicamente con un tipo especial de IPN que es capaz de dispersar la energía mecánica mientras mantiene la forma de un hidrogel después de la deformación. [10]
De manera similar al estudio anterior, se utilizan hidrogeles de doble red. Están compuestos por dos tipos de polímeros hidrófilos . A las 6 semanas de la implantación, las muestras en comparación con las que no recibieron tratamiento mostraron propiedades biodegradables . Cuando se utilizó poli(ácido 2-acrilamida-2-metil-propano sulfónico)/poli(N,N'-dimetil acrilamida) o PAMPS/PDMAAm, la tensión última y el módulo tangente aumentaron. Sin embargo, cuando se utilizó celulosa bacteriana y gelatina , se mostró una disminución de la tensión última y no cumplió con los requisitos del cartílago artificial. [14]
En 2020, los desarrolladores combinaron una red de nanofibras de celulosa bacteriana con un hidrogel de doble red de poli(alcohol vinílico) (PVA) - poli(sal sódica del ácido 2-acrilamido-2-metil-1-propanosulfónico) (PAMPS). [16] El cartílago artificial mostró la misma resistencia y módulo que el cartílago natural en términos de tensión y compresión, y fue la primera opción creada en laboratorio en exhibir una resistencia a la fatiga por tracción equivalente al cartílago. [16] El hidrogel debe someterse a más pruebas de laboratorio antes de que los investigadores determinen si se puede trasladar al uso clínico. [17] Los hidrogeles de PVA preparados mediante varias congelaciones y descongelaciones, sin un agente de reticulación añadido externamente, también han mostrado grandes promesas en términos de biocompatibilidad, resistencia al desgaste, absorción de impactos, coeficiente de fricción, flexibilidad y lubricación (debido a la absorción/excreción de fluido corporal). [1] Una implantación de dos años de geles de PVA como menisco artificial en conejos mostró que permanecen intactos sin degradación, fractura o pérdida de propiedades. [1]
Este método utiliza un hidrogel contenido dentro de un polímero poroso a base de silicona llamado polidimetilsiloxano (PDMS). [18] [19] El polímero permite que el hidrogel resista entre 14 y 19 veces más fuerza de la que podría soportar por sí solo. [18] [19]
La aplicación clínica es sumamente importante a la hora de analizar la eficacia del cartílago artificial. A continuación se describen los enfoques clínicos recientes para la regeneración del cartílago en el tratamiento de la osteoartritis.
En algunos estudios, la implantación de células madre mesenquimales inducidas por la matriz mostró mejoras clínicas más tempranas en comparación con la simple implantación de condrocitos. Las MSC promovieron la regeneración del cartílago en rodillas con osteoartritis y también redujeron el dolor y la discapacidad. [15]
En este estudio se utilizaron hidrogeles de alcohol polivinílico (PVA). Fue difícil cumplir con las propiedades mecánicas del cartílago articular utilizando este hidrogel. No hubo cambios inflamatorios o degenerativos en el cartílago articular o la membrana sinovial que rodea este cartílago de PVA artificial. También se estudiaron los hidrogeles de PVP. Presentan alta hidrofilicidad, biocompatibilidad y capacidad de formación de complejos. Cuando se utilizaron como una mezcla de hidrogel de PVA/PVP, produjeron una estructura 3D interna y un contenido de agua similares al cartílago articular natural. Las mejores propiedades mecánicas y el sistema de fricción fueron el hidrogel mezclado con 1 % en peso de PVP. Debido al mayor enlace de hidrógeno entre cadenas , agregar PVP al PVA puro resultó ser una mejor opción. Actuaron exactamente con un comportamiento viscoelástico característico del cartílago articular. [13]
En julio de 2016, Estados Unidos aprobó el uso de un implante de cartílago sintético para tratar la artritis en la articulación del dedo gordo del pie. [20] El implante está hecho de solución salina y un polímero biocompatible, y se inserta a través de una incisión entre la articulación metatarsofalángica (MTP) donde se ha desgastado el cartílago natural. [20] Se está investigando su uso en otras articulaciones. [20] Un implante ortopédico independiente que consiste en una red de polímero dual interpenetrante hidratada a base de poliéter uretano (PEU) recibió la designación de dispositivo innovador de la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos en julio de 2021. [16]
En septiembre de 2021, los investigadores utilizaron cartílago diseñado a base de condrocitos nasales para tratar las articulaciones osteoartríticas en dos pacientes. [21]
En 2021, investigadores de la Universidad de Swansea se asociaron con la Scar Free Foundation para bioimprimir cartílago trasplantable en 3D hecho de células madre humanas y materiales de origen vegetal para darle a una niña de 10 años un trasplante de oreja. [22] Este método eliminó la necesidad de recuperar cartílago de otras partes del cuerpo del paciente. [22]
En cuanto al trabajo futuro, todavía queda mucho por hacer en este campo. El cartílago artificial es un tema de investigación nuevo y todavía se desconoce mucho. Hay muchos factores desconocidos relacionados con los ASCP y es necesario realizar más estudios para llegar a una conclusión más sólida sobre las funciones regenerativas de los ASCP. [23] Además, se han evaluado exhaustivamente los factores de crecimiento; sin embargo, aún es necesario estudiar más a fondo las combinaciones específicas para generar de forma más eficaz un tejido que pueda imitar las propiedades del cartílago natural. [12] En 2021, Marc C. Hochberg, jefe de la división de reumatología e inmunología clínica de la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland , dijo que el "santo grial" sería un compuesto que redujera la degradación del cartílago y/o restaurara el cartílago normal al tiempo que reducía el dolor. [24]
En 2017, científicos de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia demostraron la ingeniería de tejidos de cartílago mediante bioimpresión 3D. [25] Utilizaron dos biotintas diferentes con celulosa nanofibrilada (NFC) para realizar las pruebas: NFC con alginato (NFC/A) y ácido hialurónico (NFC/HA). [25] Las biotintas se coimprimieron con condrocitos humanos irradiados [8]. El equipo tuvo éxito con NFC/A. [25]
En septiembre de 2021, los investigadores crearon implantes de reparación de cartílago utilizando un proceso de tejido tridimensional para combinar materiales artificiales con células madre. [26] [27] Los implantes bioartificiales están diseñados para disolverse parcialmente con el tiempo, dejando solo tejidos naturales en las articulaciones reparadas. [26] [27] A partir de octubre de 2021, los científicos han visto éxito en el tratamiento de perros, pero se requieren más investigaciones antes de que la técnica pueda pasar a ensayos clínicos para humanos. [28]
También en septiembre de 2021, científicos del Laboratorio Nakayama de la Universidad de Saga y de la Universidad de Kioto en Japón fabricaron estructuras de cartílago impresas en 3D a partir de células madre. [29]
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