El andamio de fibroína de seda/ácido hialurónico impreso en tres dimensiones con modificación funcionalizada da como resultado una excelente resistencia mecánica y un reclutamiento celular endógeno eficiente para la regeneración del cartílago articular
- Desafío en la reparación del cartílago: El cartílago articular tiene una capacidad limitada de autorreparación, lo que hace que las lesiones sean difíciles de tratar y puedan llevar a la osteoartritis.
- Innovación en ingeniería de tejidos: Se desarrolló un andamio de doble red basado en fibroína de seda (SF) y ácido hialurónico metacrilado (MAHA) utilizando tecnología de impresión 3D.
- Mejora de la biocompatibilidad: El andamio fue modificado con un péptido específico para células madre mesenquimales de médula ósea (BMSCs) llamado E7, mejorando su capacidad de reclutamiento celular.
- Resultados prometedores: Los experimentos in vitro e in vivo mostraron que el andamio SF/MAHA + E7 tiene una excelente biocompatibilidad y capacidad de regeneración del cartílago.
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Three-Dimensional Printed Silk Fibroin/Hyaluronic Acid Scaffold with Functionalized Modification Results in Excellent Mechanical Strength and Efficient Endogenous Cell Recruitment for Articular Cartilage Regeneration
Resumen
El tratamiento del cartílago articular sigue siendo un gran desafío debido a su limitada capacidad de autorreparación. En ingeniería de tejidos, se deseaba mucho un andamio con resistencia mecánica y capacidad regenerativa. Este estudio desarrolló un andamio de doble red basado en biomateriales naturales de fibroína de seda (SF) y ácido hialurónico metacrilado (MAHA) utilizando tecnología de impresión tridimensional (3D). Primero se investigaron las características estructurales y mecánicas del andamio. Para mejorar su capacidad de reclutar células madre mesenquimales de médula ósea endógenas (BMSC), el andamio se conjugó con un péptido de afinidad específica probada para BMSC, E7, y se evaluó su biocompatibilidad y capacidad de reclutamiento celular in vitro. Se realizaron experimentos con animales para evaluar la regeneración del cartílago después del trasplante de los andamios descritos. Los andamios SF/HA exhibieron una estructura macro-microporosa jerárquica con propiedades mecánicas ideales y ofrecieron un microambiente espacial 3D para la migración y proliferación celular. Los experimentos in vitro demostraron una excelente biocompatibilidad de los andamios para apoyar la proliferación, diferenciación y producción de matriz extracelular de BMSC. In vivo, el andamio SF/MAHA + E7 mostró una capacidad superior de regeneración del cartílago en comparación con el andamio SF/MAHA no conjugado y con microfracturas según la evaluación macroscópica, histológica y de imágenes. En conclusión, este andamio SF/MAHA + E7 optimizado estructural y funcionalmente puede proporcionar un enfoque prometedor para reparar lesiones del cartílago articular in situ.
El artículo «Three-Dimensional Printed Silk Fibroin/Hyaluronic Acid Scaffold with Functionalized Modification Results in Excellent Mechanical Strength and Efficient Endogenous Cell Recruitment for Articular Cartilage Regeneration» presenta un estudio avanzado en el campo de la ingeniería de tejidos. En este estudio, se desarrolló un andamio de impresión tridimensional utilizando fibroína de seda y ácido hialurónico modificado funcionalmente. Este andamio demostró tener una resistencia mecánica excepcional y la capacidad de reclutar células endógenas de manera eficiente, lo que es crucial para la regeneración del cartílago articular. La investigación se centró en la optimización de la concentración de fibroína de seda para maximizar la regeneración del cartílago, evaluando el comportamiento mecánico y la degradación enzimática de los andamios. El uso de tecnología de impresión en 3D permitió la creación de una estructura de doble red basada en biomateriales naturales, que fue analizada en términos de sus características estructurales y mecánicas. Los resultados indican que este enfoque podría ofrecer una solución prometedora para los desafíos actuales en la regeneración del cartílago articular.
Introducción:
Los
defectos del cartílago son un problema común y desafiante debido a su
limitada capacidad de autorreparación [1,2]. En consecuencia, las
lesiones condrales a menudo conducen a la osteoartritis y la
degeneración progresiva de la articulación [1]. Actualmente, los
principales tratamientos para las lesiones del cartílago incluyen el
desbridamiento artroscópico, la estimulación de la médula ósea, el
trasplante de condrocitos autólogos y el trasplante de condrocitos
autólogos inducido por matriz [2]. Sin embargo, estos métodos
mencionados anteriormente aún tienen algunas limitaciones, como la
generación de fibrocartílago, la necesidad de una segunda cirugía y los
altos costos [3].
La ingeniería de tejidos ha demostrado un gran
potencial en la reparación del cartílago. Al proporcionar un
microambiente bien diferenciado al tiempo que se mantienen las
propiedades mecánicas, los andamios diseñados por ingeniería de tejidos
pueden mejorar la diferenciación condrógena de las células madre
mesenquimales de la médula ósea (BMSC). Estos andamios consisten en
biomateriales naturales altamente biocompatibles como el ácido
hialurónico y el quitosano, así como materiales sintéticos como la
policaprolactona y el ácido poliláctico. A pesar de su producción
controlable y reproducible, los materiales poliméricos sintéticos
plantean inquietudes sobre la reacción a cuerpos extraños y la toxicidad
de los subproductos de degradación. En los últimos años, se ha prestado
cada vez más atención a las biomacromoléculas naturales debido a sus
ventajas inherentes en propiedades bioquímicas y biofísicas. Estas
ventajas incluyen la capacidad de renovación, la no toxicidad, la
biocompatibilidad y la biodegradabilidad [4]. Además, la estructura del
andamio biológico también es muy importante para la reparación del
cartílago mediante ingeniería de tejidos. La impresión tridimensional
(3D) se considera un avance tecnológico crucial en la ingeniería de
materiales [5]. La impresión tridimensional, también conocida como
fabricación aditiva, ha revolucionado el mundo de la fabricación y el
diseño en las últimas décadas [6]. Se ha informado que el andamio
espacial 3D proporciona un microambiente propicio para la fijación,
proliferación y diferenciación de las BMSC [7]. Una estructura porosa
con un tamaño de poro adecuado ayuda a optimizar la eficacia del andamio
funcional que incorpora BMSC endógenas [8]. El andamio 3D utilizado en
medicina regenerativa debe tener las siguientes características:
biocompatibilidad, lo que significa que debe ser compatible con el
cuerpo humano; biodegradabilidad; y propiedades mecánicas apropiadas
[9]. Los materiales que se utilizan actualmente en el campo de la
impresión 3D luchan por combinar las características anteriores [10,11].
La
fibrina de seda (SF) es un biopolímero natural con propiedades
mecánicas excepcionales, excelente biocompatibilidad y procesabilidad.
En los últimos años, se ha demostrado que la SF tiene un gran potencial
para la ingeniería de tejidos de cartílago [10,11]. Estudios previos han
demostrado que el hidrogel de SF se puede construir mediante el
autoensamblaje de láminas β [12], y que la SF contiene muchos grupos
amina, lo que favorece el desarrollo de un andamio funcional. El ácido
hialurónico (AH) es un glicosaminoglicano no sulfatado compuesto por
unidades de disacáridos repetidas. Estas unidades consisten en ácido
β-d-glucurónico y N-acetil-d-glucosamina, unidos alternativamente por
enlaces glucosídicos β-1,3 y β-1,4 [13]. Como un componente importante
de la matriz extracelular (ECM) del cartílago, el HA posee ventajas de
ser altamente imprimible y biocompatible. Sin embargo, su aplicación se
ve obstaculizada por su deficiencia de degradación rápida y resistencia
inadecuada. En este estudio, modificamos HA con anhídrido metacrílico en
un entorno alcalino para sintetizar ácido hialurónico metacrilado
(MAHA), que contribuye a mantener una red rígida. El uso combinado de SF
y MAHA no solo proporciona hidrogeles compuestos biocompatibles
adecuados para la impresión 3D [14], sino que también aumenta las
propiedades mecánicas para el establecimiento del andamiaje.
El
reclutamiento y la retención de BMSC en el área lesionada sigue siendo
un problema sin resolver para la reparación del cartílago. Varios
estudios han explorado la adición de factores biológicos a los andamios
para impartir la capacidad de reclutamiento celular [8,14]. En un
trabajo previo de Shao et al. [15], se identificó una secuencia
peptídica de siete aminoácidos (E7) utilizando tecnología de
visualización de fagos. Esta secuencia mostró una alta afinidad
específica por las MSC derivadas de la médula ósea. Además, el péptido
E7 podría ejercer efectos procondrogénicos sobre las BMSC. Por lo tanto,
en este estudio, conjugamos E7 como el factor biológico clave en el
andamio SF/MAHA para promover el reclutamiento de BMSC in situ.
En
este estudio, desarrollamos un andamio compuesto SF/MAHA modificado con
E7 con excelentes propiedades mecánicas y una capacidad eficiente de
reclutamiento celular para reparar lesiones condrales in situ (Figura
1). La estructura espacial porosa y tridimensional de este andamio
SF/MAHA + E7 proporciona un microambiente adecuado para las BMSC,
promoviendo su proliferación, diferenciación y producción de matriz
extracelular durante la regeneración del cartílago hialino. Se llevaron a
cabo experimentos para investigar el potencial del andamio para
promover sinérgicamente la condrogénesis in vitro, estimular la
regeneración del cartílago y facilitar la recuperación de la función
articular in vivo.
Shi W, Zhang J, Gao Z, Hu F, Kong S, Hu X, Zhao F, Ao Y, Shao Z. Three-Dimensional Printed Silk Fibroin/Hyaluronic Acid Scaffold with Functionalized Modification Results in Excellent Mechanical Strength and Efficient Endogenous Cell Recruitment for Articular Cartilage Regeneration. Int J Mol Sci. 2024 Sep 29;25(19):10523. doi: 10.3390/ijms251910523. PMID: 39408852; PMCID: PMC11477338.
© 2024 by the authors.
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