Mejores trasplantes para mejores articulaciones: una mirada más cercana a las influencias del desajuste micromecánico en la regeneración del cartílago

Un equipo de colaboración, que incluye científicos del Instituto Terasaki para la Innovación Biomédica (TIBI), la Universidad de Illinois Chicago (UIC) y la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) ha aclarado algunos puntos clave sobre cómo la generación de cartílago en las articulaciones se facilita y cómo se puede evitar la formación alternativa de hueso. Sus hallazgos podrían allanar el camino para diseñar trasplantes de ingeniería más estratégica para un medio menos costoso y más efectivo de tratar el daño del cartílago en las articulaciones que los métodos actuales.

Debido al suministro limitado de sangre y la pequeña cantidad de células de cartílago en las articulaciones, es difícil que el cuerpo sane el cartílago dañado. Los tratamientos actuales incluyen injertar el cartílago intacto de un paciente de una articulación a una dañada, aumentar el flujo de sangre a la articulación dañada haciendo pequeños orificios en el hueso debajo del cartílago afectado) o trasplantar las células del cartílago de un paciente de una articulación a otra. Cada uno de estos métodos es costoso y no restaura adecuadamente la funcionalidad de la articulación dañada.

Una mejor opción para la reparación del cartílago implica el uso de células madre mesenquimales humanas (hMSC), células fácilmente disponibles que pueden renovarse y diferenciarse en varios tipos de células, incluidas las células del cartílago. Con estas células, los trasplantes se pueden diseñar para una regeneración de cartílago más efectiva.

Las articulaciones del cuerpo y su regulación de la regeneración del cartílago son extremadamente complejas, influenciadas no solo por señales químicas y fuerzas externas, sino también por propiedades mecánicas dentro de la articulación misma. Dentro de las articulaciones, las células del cartílago están rodeadas por dos capas distintas: la matriz pericelular (PCM) y la matriz extracelular (ECM).

El PCM es una capa estrecha y más suave que rodea de cerca las células del cartílago. El ECM es una capa más rígida que rodea al PCM que ancla y proporciona soporte estructural a las celdas. Se sabe que las propiedades mecánicas de las matrices circundantes pueden influir en la formación de cartílago hMSC, con matrices más blandas y de degradación más rápida que impulsan la formación de cartílago en las articulaciones y matrices más rígidas y de degradación más lenta que promueven un crecimiento excesivo de cartílago que puede conducir a una formación ósea no deseada.

Si uno va a diseñar implantes para reemplazar el cartílago dañado, por lo tanto, estas propiedades micromecánicas deben recrearse lo más fielmente posible para impulsar la regeneración adecuada del cartílago y la integración con el cartílago nativo sano. También se deben tener en cuenta los efectos de las tensiones mecánicas externas sobre los implantes, que pueden influir en el comportamiento celular.

Los investigadores examinaron estas propiedades y sus efectos mediante la creación de innovadores equivalentes de tejido de cartílago como modelos de cartílago nativo. Para crear un modelo de PCM, emplearon tecnología de microfluidos para crear minigotas de hidrogel de tamaño uniforme incrustadas con hMSC. Estos mini hidrogeles fueron luego encapsulados por una capa rígida de polímero que simulaba la ECM.

Para simular movimientos corporales regulares sobre las articulaciones, los científicos utilizaron un chip que aplicaba presión en modelos PCM/ECM cargados de hMSC con desajustes de propiedades micromecánicas diseñados a medida y midieron las biomoléculas producidas. A partir de estos experimentos, los científicos pudieron encontrar las condiciones óptimas para una mejor regeneración del cartílago y, al mismo tiempo, redujeron la formación excesiva de cartílago.

Estos resultados también se demostraron en modelos animales. Los modelos de tejido PCM/ECM se implantaron a continuación en ratones y, cuando se aplicó presión externa, los efectos de desajuste micromecánico de los tejidos sobre la formación de cartílago se mantuvieron con éxito durante períodos de tres semanas.

Las conclusiones generales de los científicos fueron que la rigidez y la degradación del PCM y las propiedades de desajuste micromecánico del PCM-ECM funcionan en sinergia con la compresión mecánica cíclica para impulsar la formación de cartílago deseable en las hMSC.

El director y director ejecutivo de TIBI, Ali Khademhosseini, Ph.D., dijo: «Con las diversas dificultades que se presentan en la reparación del cartílago, el trabajo de nuestros científicos para comprender los mecanismos que lo gobiernan es un paso muy necesario para crear con éxito tejido cartilaginoso funcional y regenerativo».

La investigación se publica en la revista Materia.

Proporcionado por el Instituto Terasaki para la Innovación Biomédica