N.73 – Reparación de tejido óseo y cartilaginoso

Las lesiones en el tejido óseo causadas por trauma, osteonecrosis o tumores han sido tratadas con el implante de injertos autólogos, alogénicos o xenogénicos; o bien de materiales sustitutivos. La ingeniería de tejidos aparece como una opción para restaurar, mantener o mejorar la función mediante la implantaciٴón de células óseas o cartilaginosas cultivadas que se desarrollen y prosperen en el área objetivo.

La presente reseña comprende cuatro (4) artículos. El primero (1) se refiere a la reparación ósea mediante bioimpresión mejorada por inclusión de genes. El segundo (2) trata sobre la recuperación ósea apoyada por ondas sonoras de alta frecuencia. En el tercero (3) se describe una nueva tecnología basada en nanopartículas que inducen a las células madre a formar tejido óseo. En el cuarto (4) se revisa el estado actual de la terapia basada en células estromales mesenquimales para regeneración del cartílago en osteoartrosis de rodilla.

1.- Primer artículo: Reparación ósea mediante bioimpresión mejorada por inclusión de genes (1.1.) (1.2.) (1.3.)

Los pacientes con anomalías craneomaxilofaciales (CMF) -debidas a mutaciones genéticas, anomalías cromosómicas o lesiones traumáticas- requieren a menudo sucesivos procedimientos quirúrgicos reconstructivos y, a menudo, quedan con desfavorables secuelas estéticas o funcionales.

Mediante el procesamiento de datos digitales en tiempo real, la bioimpresión en sujetos vivos en entorno quirúrgico -“bioimpresión intraoperatoria (IOB)”- permite capturar información precisa sobre defectos óseos con topografías irregulares, para proveer inmediatamente precisas construcciones óseas regenerativas en los sitios pertinentes para la reconstrucción CMF.

La necesidad de una reparación ósea acelerada condujo a la investigación de terapias basadas en genes/factores de crecimiento con proteínas recombinantes y factores de crecimiento, incluida la proteína morfogenética ósea-2 (BMP-2) y el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) dentro de construcciones óseas para promover, respectivamente, osteogénesis y mitogénesis in vivo. Sin embargo, el uso clínico de esas terapias resulta limitado por su alto costo, sus reducidas vidas medias y la necesidad de dosis suprafisiológicas para la eficacia clínica. Además, las altas dosis de proteína humana recombinante pueden provocar efectos secundarios, como la inflamación de los tejidos blandos y la formación de hueso ectópico.

En el artículo aquí reseñado, un equipo internacional de ingenieros describe la bioimpresión de células madre con dos genes distintos que codifican dos factores de crecimiento diferentes. El equipo utilizó el gen que codifica PDGF-B, factor de crecimiento derivado de plaquetas, que estimula a las células madre a multiplicarse y migrar al área del defecto, y el gen que codifica BMP-2, proteína morfogenética ósea, que mejora la regeneración ósea.

La mezcla fue bioimpresa en un orificio en el cráneo de una rata utilizando un dispositivo similar a una impresora de chorro de tinta. La mezcla fue diseñada para liberar una descarga del gen que codifica PDGF-B en 10 días y una liberación continua del gen que codifica BMP-2 durante cinco semanas. Las ratas que recibieron la mezcla con liberación controlada del gen codificante de BMP-2 registraron alrededor de un 40% de creación de tejido óseo y un 90% de cobertura ósea en 6 semanas en comparación con un 10% de tejido óseo nuevo y un 25% de cobertura ósea en ratas con el mismo defecto, pero sin ese tratamiento.

Para el futuro, la inclusión de factores de crecimiento incorporados intraoperatoriamente dentro de las construcciones bioimpresas podría presentarse como una forma efectiva de mejorar la regeneración ósea en pacientes con lesiones o anomalías CMF.

2.- Segundo artículo: Recuperación ósea apoyada por ondas sonoras de alta frecuencia (2.1.) (2.2.)

Hasta la fecha, los procesos experimentales para convertir células madre adultas en células óseas utilizaron tecnologías cuya complejidad y costo limitaron la posibilidad de aplicación clínica generalizada. Además, los pocos ensayos clínicos que intentaron regenerar hueso utilizaron en gran medida células madre extraídas de la médula ósea del paciente, con un procedimiento doloroso.

En el estudio aquí reseñado un equipo de investigación del Micro/Nanophysics Research Laboratory, School of Engineering, RMIT University (Melbourne, Australia), mostró que las células madre tratadas con ondas sonoras de alta frecuencia se convirtieron -de manera rápida y eficiente- en células óseas. Se señala además que el tratamiento fue efectivo con diversos tipos de células, incluidas las células madre derivadas de tejido adiposo, cuya extracción es mucho menos dolorosa para el paciente. Las ondas sonoras redujeron el tiempo de tratamiento requerido para que las células madre se conviertan en células óseas, sin necesidad de ningún fármaco “inductor óseo”.

Las ondas sonoras de alta frecuencia fueron generadas por un dispositivo de microchip -de bajo costo y fácil uso- desarrollado por el RMIT, el cual permite manipular con precisión células, fluidos o materiales. Las ondas sonoras pueden aplicarse a las células madre -con alta precisión- en la magnitud y en los lugares correctos para desencadenar el cambio. Además, el uso del dispositivo podría ampliarse fácilmente para tratar un gran número de células simultáneamente, algo vital para una ingeniería de tejidos eficaz. La siguiente etapa de la investigación es investigar métodos para mejorar la plataforma y desarrollar biorreactores prácticos para impulsar la diferenciación eficiente de células madre.

3.- Tercer artículo: Nanopartículas que inducen a las células madre a formar tejido óseo (3.1.) (3.2.)

Los marcos orgánicos covalentes (COF) son una clase de materiales que forman estructuras bidimensionales o tridimensionales, a través de reacciones entre precursores orgánicos, que dan como resultado enlaces covalentes fuertes para producir materiales porosos, estables y cristalinos. Si bien se ha prestado una significativa atención a los COF bidimensionales (2D), su aplicación en medicina regenerativa resultó limitada debido a la dificultad para procesarlos en tamaño nanométrico, junto con su escasa estabilidad.

El artículo aquí reseñado se refiere al desarrollo de nanopartículas de COF 2D -por un equipo de investigadores de la Universidad Texas A&M liderado por Akhilesh K. Gaharwar- que pueden dirigir la diferenciación osteogénica de células madre mesenquimales humanas en células óseas. El equipo mejoró la estabilidad hidrolítica de los COF, proporcionándoles dispersabilidad en agua, lo que permite la aplicación biomédica de estas nanopartículas. Se señala que este es el primer informe que demuestra la capacidad de los COF para dirigir las células madre hacia el tejido óseo, con amplio impacto potencial en la regeneración ósea.

El equipo aprovechó la estructura porosa del COF 2D para cargar un fármaco osteoinductor (dexametasona) con la finalidad de mejorar aún más la capacidad osteoinductiva. La administración sostenida del fármaco resultó en una mayor diferenciación de células madre hacia el linaje óseo, y esta técnica puede usarse para la regeneración ósea.

Gaharwar señaló que, después de haber proporcionado una prueba de concepto, el próximo paso del equipo será evaluar esta nanotecnología en un modelo enfermo.

4.- Cuarto artículo: Terapia basada en células estromales mesenquimales para regeneración del cartílago en osteoartrosis de rodilla (4)

La osteoartrosis de rodilla (Knee Osteoarthritis, KOA), también conocida como artrosis “por uso y desgaste”, es una enfermedad degenerativa que afecta -con mayor frecuencia- a personas mayores. Su patogénesis se asocia, asimismo, con factores genéticos y microambientales que acrecientan el deterioro del cartílago articular, la inflamación intraarticular con sinovitis y las alteraciones en el hueso subcondral.

Las opciones de tratamiento del KOA van desde el mero control del dolor hasta la regeneración del cartílago articular. Durante los últimos años se viene explorando la terapia basada en células estromales mesenquimales (MSC), o en exosomas secretados (Exos) por MSC, como tratamiento regenerativo del cartílago articular.

La revisión aquí reseñada se refiere sintéticamente a: (a) los distintos métodos para seleccionar, preparar y cultivar MSC de diferentes orígenes y exosomas derivados, (b) literatura sobre la terapia basada en MSC para la regeneración del cartílago en KOA, y (c) recientes hallazgos y desarrollos en la aplicación clínica.

Las células estromales con potencial de diferenciación multipotente con capacidad regenerativa pueden clasificarse en dos grupos: (a) embrionarias (de placenta, líquido amniótico, cordón umbilical) y (b) adultas (de médula ósea (BM), hueso trabecular, tejido adiposo (AT), líquido sinovial, membrana sinovial, sangre periférica). Las células provenientes de diferentes fuentes tienen distintas características de cultivo, capacidades de diferenciación y beneficios clínicos. La condrogénesis puede lograrse en sistemas bidimensionales o tridimensionales de cultivo in vitro. Hasta hoy, la fuente celular predominante de MSC es la médula ósea (BM), seguida por tejido adiposo (AT).

La primera inyección de terapia basada en MSC tuvo lugar en 2008 y, desde entonces, se informaron 23 estudios relativos a su aplicación para KOA. La fuente BM fue utilizada en 13 ensayos (57%), AT se utilizó en 7 ensayos (30%), cordón umbilical se utilizó en 2 ensayos (9%), mientras que placenta se usó en 1 ensayo (4%). A la fecha de la revisión no se habían registrado estudios de MSC-Exos en KOA.

Concluye señalando que las MSC exhibieron varias funciones en el tratamiento de KOA: (a) aumento de la condrogénesis, (b) mejora de la proliferación de condrocitos, (c) reducción de la apoptosis, (d) mantenimiento de la autofagia de los condrocitos (sirve como respuesta adaptativa bajo cambios ambientales que mantienen la supervivencia de los condrocitos al preservar el metabolismo energético en las células), (e) regulación de la síntesis y catabolismo de la matriz extracelular, (f) regulación de la respuesta inmunitaria, (g) inhibición de la inflamación, (h) monitoreo de la disfunción mitocondrial, y (i) el efecto paracrino.

Para los pacientes, las inyecciones intraarticulares de MSC para la KOA resultaron en disminución del dolor y mejoría en la función de la articulación de la rodilla, lo que les facilitó actividades como caminar, subir y bajar escaleras, así como practicar ciertos deportes. Estos beneficios pudieron mantenerse durante varios años. Las medidas radiológicas, artroscópicas e histológicas demostraron consistentemente una disminución del deterioro por la regeneración del cartílago articular de tipo hialino.

La revisión reseñada señala que, en lo inmediato, se requiere un estándar para la terapia de MSC en KOA, que incluya selección celular, autenticación (análisis fenotípico y potencial de diferenciación multipotente), métodos de cultivo o expansión, dosis y programa de rehabilitación después de la inyección. Por otra parte, la regeneración funcional del hueso subcondral también tiene un impacto significativo en el tratamiento de KOA.