Investigador logra avances en ingeniería de tejidos
Investigadores de UConn, incluido el profesor Syam Nukavarapu, de pie, y el estudiante graduado Hyun S. Kim, han desarrollado un método novedoso en ingeniería de tejidos. Crédito: Tina Encarnacion/UConn Health Foto tomada antes de la COVID
Cada vez que camina, corre o toma una taza de café, sus articulaciones están trabajando. Para millones de personas con osteoartritis, una enfermedad degenerativa de las articulaciones, estos simples movimientos son increíblemente dolorosos.
La osteoartritis afecta a más de 66 millones de estadounidenses y cuesta aproximadamente $303 mil millones al año para controlar la enfermedad.
Syam Nukavarapu, profesor asociado de ingeniería biomédica en la Universidad de Connecticut, está desarrollando nuevas tecnologías de ingeniería de tejidos que podría mejorar radicalmente el tratamiento de esta afección. También tiene citas conjuntas con ciencia e ingeniería de materiales y cirugía ortopédica en las Facultades de Medicina y Medicina Dental de UConn.
Actualmente, existen dos tratamientos principales para la osteoartritis: cirugía de microfractura y reemplazo de tejido con autoinjertos (tejido de uno mismo) o aloinjertos (tejido de otro). La cirugía de microfractura crea pequeñas fracturas en el hueso subyacente, estimulando las células para crear nuevo cartílago. Esto a menudo crea tejido nuevo que es mecánicamente inferior y puede causar una mayor degeneración con el tiempo. Los autoinjertos o aloinjertos reemplazan el tejido dañado o enfermo con tejido de donante, lo que puede ser un problema si los donantes no están fácilmente disponibles. Este método también conlleva preocupaciones sobre la transmisión de enfermedades y el fracaso del trasplante con el tiempo. Ninguno de los tratamientos es ideal ni está garantizado.
El enfoque de ingeniería de tejidos de Nukavarapu para reparar el tejido articular es una vía prometedora para el desarrollo de nuevos tratamientos, que implica la fabricación de injertos de cartílago óseo sintético o injertos «osteocondrales» que se pueden implantar dentro el cuerpo para promover la formación y reparación de nuevos tejidos.
Los científicos han encontrado formas de generar varios tipos de tejidos, como la piel o los huesos, utilizando principios de ingeniería de tejidos. Pero esto se vuelve mucho más desafiante cuando se trata de tejidos complejos como las articulaciones que consisten en huesos cubiertos por una capa de cartílago, dos tejidos diferentes conectados entre sí, que se denominan interfaces «tejido-tejido».
Diseñar un injerto para respaldar la regeneración de hueso y cartílago junto con una interfaz es un inmenso desafío de ingeniería.
«En la reparación de tejidos complejos, el mayor problema no es solo la regeneración, sino la integración tejido-tejido con una interfaz», Nukavarapu dice.
A pesar de este desafío, Nukavarapu y su laboratorio (Tissue Engineering Science and Technology Lab, TEST Lab) están teniendo éxito. Recientemente publicaron una investigación sobre una plataforma de injerto de gradiente para la ingeniería de tejidos interfaciales en la edición de diciembre de 2020 de Biomedical Materials. Deborah Dorcemus, ex alumna del laboratorio de Nukavarapu, y Hyun Kim, actual Ph.D. estudiante, son coautores. La novedad de este enfoque también condujo a una patente exitosa, allanando el camino para futuras aplicaciones.
Con este premio, TEST Lab diseñará y desarrollará plataformas de andamios utilizando materiales biodegradables con las configuraciones y geometrías deseadas. En esta configuración, la rigidez del biomaterial local y los microambientes se pueden manipular para controlar con precisión la diferenciación de las células madre en tipos de células específicos.
La estructura de gradiente del injerto de ingeniería de Nukavarapu pasa gradualmente de una capa de cartílago más porosa a una densa capa de hueso Este parece ser un enfoque más eficaz que los diseños anteriores, ya que proporciona flexibilidad estructural e integración mecánica al mismo tiempo que acomoda dos tipos de tejido diferentes en una sola estructura de injerto. La capa de cartílago se rellena con un gel para imitar las propiedades estructurales y físicas del tejido del cartílago, que es naturalmente flexible y suave.
«Proporcionamos un entorno mecánico ideal en términos de microestructura local y propiedades para la reparación del cartílago», dice Nukavarapu.
La otra característica clave de este andamio es la capacidad de proporcionar espacialmente sustancias de factor de crecimiento que reclutan y/o estimulan las células, en este caso, las células que dan origen al cartílago y al hueso. tejido.
Nukavarapu incorporó factores de crecimiento específicos del hueso en toda la estructura de gradiente, que dará lugar al hueso, y un factor de crecimiento condrogénico dentro del gel, que dará lugar a la capa cartilaginosa. Hasta ahora, los resultados mostraron que los factores de crecimiento estaban correctamente localizados en la estructura, lo que dio como resultado un andamio con un perfil de factor de crecimiento espacial necesario para abordar la ingeniería de tejidos complejos, como las articulaciones.
Si bien esta tecnología es prometedora , el laboratorio de Nukavarapu continúa desarrollando nuevas estrategias centradas en biomateriales para la ingeniería de tejidos. Su laboratorio ha demostrado el papel de la rigidez del biomaterial y las características topográficas (de tamaño micro y nano) que pueden regular el comportamiento celular.
Esta investigación impulsó su nueva subvención financiada por los NIH, en la que Nukavarapu y su laboratorio buscan sobre cómo utilizar señales físicas y estructurales en estrategias de ingeniería de tejidos para controlar la función y la regeneración celular.
Con este premio, Nukavarapu y su laboratorio diseñarán y desarrollarán plataformas de andamios utilizando materiales biodegradables con las configuraciones y geometrías deseadas. En esta configuración, la rigidez del biomaterial local y los microambientes se pueden manipular para controlar con precisión la diferenciación de las células madre en tipos de células específicos.
El objetivo de este proyecto es implementar señales geométricas y físicas en un entorno tridimensional. para diseñar injertos sintéticos para la ingeniería de tejidos complejos. Específicamente, desarrollo de interfaz hueso, cartílago y hueso-cartílago.
Estos esfuerzos utilizarán métodos de fabricación aditivos para crear estructuras de andamiaje con microestructura, rigidez y entorno precisos. La reproducibilidad de los métodos de fabricación, como la bioimpresión, permitirá a Nukavarapu y a su equipo descubrir nuevos caminos en el área de la ingeniería de interfaces.
Este proyecto ampliará aún más la frontera de la ingeniería de tejidos mediante el desarrollo de nuevas modalidades de imagen. correlacionar la rigidez y la geometría del biomaterial con la calidad del tejido regenerado y su función. Lograr un nicho de células madre con las condiciones necesarias para estimular las células madre para producir un tipo de tejido específico podría proporcionar múltiples mejoras en el tratamiento de la osteoartritis.
«Estamos tratando de llevar la ingeniería de tejidos al siguiente nivel», dice Nukavarapu. «Si tenemos éxito con esto, podemos implementar un paradigma centrado en biomateriales para la ingeniería de tejidos».
En este esfuerzo, Nukavarapu está colaborando con los investigadores de UConn Health Sangamesh Kumbar y Vinayak Sathe.
En última instancia, el novedoso sistema de injerto con el apoyo de la nueva financiación de NIH podría impulsar el desarrollo de nuevos tratamientos para la osteoartritis, lo que haría que caminar o correr, tal vez para recoger su café favorito, sea mucho más fácil.
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Plantilla de cartílago diseñada para curar huesos rotos Más información: Deborah Leonie Dorcemus et al. Andamio de gradiente con perfil de factor de crecimiento espacial para ingeniería de interfaz osteocondral, Materiales biomédicos (2020). DOI: 10.1088/1748-605X/abd1ba Proporcionado por la Universidad de Connecticut Cita: Investigador hace avances en ingeniería de tejidos (2021, 24 de febrero) recuperado el 30 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/ 2021-02-advances-tissue.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.