Una revisión de hidrogeles avanzados para la ingeniería de tejido cartilaginoso.
Introducción
El daño al tejido del cartílago
puede ser causado por diversas afecciones, incluidas lesiones
deportivas, artritis y traumatismos (Walker y Madihally, 2015; Söntjens
et al., 2006; Ren K. et al., 2015; Cancedda et al., 2003). Se ha
informado que el 15% de las personas mayores de 60 años y el 60% de los
pacientes sometidos a artroscopia de rodilla sufren daños en el
cartílago (Hjelle et al., 2002; Vilela et al., 2015). El tejido
cartilaginoso no tiene nervios ni vasos sanguíneos y sobrevive
recibiendo oxígeno y nutrientes del líquido sinovial. Debido a esto, la
recuperación del tejido del cartílago es difícil (si está dañado)
(Giannoudis et al., 2005; Sen y Miclau, 2007; Kim T. G. et al., 2012;
Cully, 2013; Flierl et al., 2013; Marenzana y Arnett , 2013). La
reparación médica del tejido cartilaginoso dañado sigue siendo
necesaria. Por lo tanto, el desarrollo de un método que pueda tratar de
forma permanente y completa el tejido del cartílago en pacientes con
daño del cartílago es muy importante desde el punto de vista clínico.
Los defectos del cartílago se tratan con algunos métodos quirúrgicos
como la cirugía de microfractura, el implante de condrocitos autólogos
(ACI) y la mosaicoplastia. Se crea un pequeño agujero en el hueso
subcondral al reparar una microfractura debajo de un defecto del
cartílago. Cuando se produce un agujero, las células de la médula ósea y
las células sanguíneas abandonan el agujero y forman un coágulo de
sangre en la superficie, lo que permite que las células que forman el
cartílago escapen y reparen el daño (Yan et al., 2020). Este método es
económico y sencillo, pero no se ha informado de su eficacia a largo
plazo. Además, la posibilidad de efectos secundarios como formación de
osteofitos, quistes y crecimiento excesivo de hueso después de la
cirugía de microfractura limita el uso de esta técnica (Sun et al.,
2020; Kim M. S. et al., 2021). Otro método quirúrgico para reparar
defectos de espesor total del cartílago articular, que también recibió
la aprobación de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.
UU. (FDA), se llama implantación autóloga de condrocitos (ACI). En este
método, el cirujano primero extrae partes del cartílago articular sano
que no soportan mucha carga. Luego, se implantan condrocitos en estas
secciones durante 4 semanas en un ambiente de laboratorio. Finalmente,
se implantan nuevas secciones de cartílago en las zonas dañadas y los
condrocitos regeneran tejido nuevo (Marlovits et al., 2006;
Guillén-García et al., 2023). La transferencia de autoinjerto
osteocondral (OAT) o mosaicoplastia es otro método quirúrgico nuevo y
probado para tratar defectos del cartílago en pacientes. En este método,
el cirujano extrae del cartílago sano piezas cilíndricas de las partes
que soportan menos carga y las coloca en el área dañada. Aunque se ha
demostrado que este método trata los defectos del cartílago articular,
no puede reparar defectos grandes (Figura 1A) (Kowalczuk et al., 2018).
La llegada de la ingeniería de tejidos en 1990 dio a los científicos la esperanza de reparar y regenerar el tejido cartilaginoso dañado (Grottkau y Lin, 2013; Sahni et al., 2015; Bush et al., 2016; Wang et al., 2016). Los tejidos diseñados están compuestos por una estructura, factores de crecimiento esenciales y células (Balakrishnan y Banerjee, 2011; Huang et al., 2014). En general, los andamios de tejido cartilaginoso diseñados deben poseer propiedades como porosidad, no toxicidad, biocompatibilidad favorable, diferenciación celular y regeneración de nuevos tejidos. Además, estos andamios deben poder degradarse después de la regeneración del tejido, tener una tasa de liberación adecuada de nutrientes y metabolitos, tener propiedades mecánicas estables y poder adherirse al tejido circundante y rellenar el área dañada (Hollister, 2005; Seliktar, 2012; Huang et al., 2014; Zhang et al., 2014; Ren K. et al., 2015).
Desde la década de 1990, se han estudiado y
probado diversos biomateriales para su uso en la ingeniería de tejido
cartilaginoso (Drury y Mooney, 2003; Slaughter et al., 2009; Zhang y
Webster, 2009; Zhang et al., 2012; Deng et al., 2013). ; Choi et al.,
2014; Fan et al., 2015; Fan y Wang, 2015; Lu et al., 2015; Shin et al.,
2016). Entre todos los biomateriales, los hidrogeles han recibido amplia
atención como andamios para la ingeniería de tejido cartilaginoso
debido a sus andamios porosos y similitudes estructurales con la matriz
extracelular (ECM) (Van Vlierberghe et al., 2011). Los hidrogeles son
estructuras tridimensionales hidrofílicas compuestas de homopolímeros y
copolímeros que pueden absorber agua e hincharse en soluciones acuosas,
creando un microambiente apropiado similar al ECM (Kabiri et al., 2016;
Sabzevari et al., 2016; Sabzevari y Kabiri, 2016). . Por lo tanto,
promueve la unión, migración, diferenciación y proliferación de
osteoblastos y condrocitos y suministra eficazmente factores de
crecimiento y nutrientes (Jin et al., 2009; Van Vlierberghe et al.,
2011; Yazdimamaghani et al., 2014; Daly et al. ., 2020).
Tradicionalmente, los hidrogeles a granel se reticulan con dimensiones
externas de milímetros o más y tamaños de celda de nanómetros para
permitir la difusión molecular. Sin embargo, los hidrogeles a granel no
siempre son adecuados para el uso previsto, especialmente cuando se
requieren tamaños más pequeños o inyecciones (Sivashanmugam et al.,
2015). Recientemente, los investigadores han estudiado y explorado los
hidrogeles inyectables en la ingeniería de tejido cartilaginoso debido a
su capacidad para adaptarse a defectos tisulares irregulares y dar
formas buenas y deseadas, reemplazando cirugías riesgosas e invasivas
con métodos menos invasivos (Figura 1B) (Wei et al., 2008 ; Gong et al.,
2009; Tan et al., 2011; Bidarra et al., 2014; Ren K. et al., 2015; Shen
et al., 2015). Los hidrogeles inyectables se sintetizan utilizando una
variedad de biomateriales naturales y artificiales. Estos biomateriales
incluyen quitosano (Tan et al., 2011), alginato (Hong et al., 2008),
colágeno o gelatina (Dorsey et al., 2015; Sim et al., 2015), heparina
(Alexander et al., 2013). ), ácido hialurónico (Wang et al., 2010), poli
(etilenglicol) (PEG) (Ossipov et al., 2008), sulfato de condroitina
(Lin et al., 2015) y alcohol polivinílico (PVA) (Jin et al., 2015). al.,
2010a). Dependiendo del método de producción, los hidrogeles
inyectables se pueden clasificar en varias categorías: hidrogeles
fotoentrecruzados (Tan y Marra, 2010), hidrogeles ligados a enzimas (Li
et al., 2012), hidrogeles mediados por adición de Michael (Shinde et al.
, 2013), hidrogeles reticulados basados en Schiff (Chiu et al., 2009),
hidrogeles mediados por química click, Gong et al. (2009), Park et al.
(2014) hidrogeles sensibles al pH (Choi et al., 2011), hidrogeles
sensibles a iones, Yeon et al. (2013) hidrogeles sensibles a la
temperatura (Sideris et al., 2016; Mealy et al., 2018) y micropartículas
de hidrogel (HMP) o microgeles HMP (Sivashanmugam et al., 2015) con las
siguientes propiedades únicas; Su pequeño tamaño (pueden administrarse a
través de catéteres y agujas pequeñas), su importante porosidad y su
naturaleza modular los hacen adecuados para aplicaciones biomédicas
(Tabla 1) (Sivashanmugam et al., 2015).
En este estudio, investigamos
primero los hidrogeles inyectables para la ingeniería de cartílago.
Luego veremos algunos biomateriales y diferentes métodos para fabricar
hidrogeles inyectables. Finalmente, revisaremos otros enfoques
existentes utilizados en la ingeniería de tejido cartilaginoso, como la
administración dirigida de fármacos.
FIGURE 1
Schematic illustration of cartilage tissue treatment by (A) surgical strategies and (B) injectable hydrogels.
FIGURE 4
Schematic illustration of different parts of articular cartilage.
Con el aumento del peso y la edad de la
población, el consumo de tabaco, alimentos inadecuados y la reducción de
las actividades deportivas en los últimos años, las enfermedades óseas y
articulares como la osteoartritis (OA) se han vuelto más comunes en el
mundo. Desde el pasado hasta ahora, se han investigado y estudiado
varias estrategias de tratamiento (p. ej., tratamiento de
microfracturas, implante de condrocitos autólogos (ACI) y
mosaicoplastia) para la prevención y el tratamiento de esta enfermedad.
Sin embargo, estos métodos enfrentan problemas como ser invasivos, no
reparar completamente el tejido y dañar los tejidos circundantes. La
ingeniería de tejidos, incluida la ingeniería de tejido cartilaginoso,
es uno de los métodos mínimamente invasivos, innovadores y eficaces para
el tratamiento y la regeneración del cartílago dañado, que ha atraído
la atención de los científicos en los campos de la medicina y la
ingeniería de biomateriales en los últimos años. Los hidrogeles de
diferentes tipos con diversas propiedades se han convertido en
candidatos deseables para la ingeniería y el tratamiento del tejido
cartilaginoso. Pueden cubrir la mayoría de las deficiencias de otros
métodos de tratamiento y causar el menor daño secundario al paciente.
Además de utilizar hidrogeles como estrategia ideal, se han estudiado
como estrategias interesantes nuevos métodos de tratamiento y
administración de fármacos, como la administración dirigida de fármacos y
el tratamiento mediante señalización mecánica. En este estudio,
revisamos y discutimos varios tipos de hidrogeles, biomateriales
utilizados para la fabricación de hidrogeles, administración de fármacos
dirigidos al cartílago y mecanoseñalización como estrategias modernas
para el tratamiento del cartílago.
A review of advanced hydrogels for cartilage tissue engineering – PubMed (nih.gov)
A review of advanced hydrogels for cartilage tissue engineering – PMC (nih.gov)
Frontiers | A review of advanced hydrogels for cartilage tissue engineering (frontiersin.org)
Ansari M, Darvishi A, Sabzevari A. A review of advanced hydrogels for cartilage tissue engineering. Front Bioeng Biotechnol. 2024 Feb 8;12:1340893. doi: 10.3389/fbioe.2024.1340893. PMID: 38390359; PMCID: PMC10881834.
Copyright © 2024 Ansari, Darvishi and Sabzevari.
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