Avances en construcciones biomiméticas y mecánicamente robustas basadas en polisacáridos para la ingeniería de tejido cartilaginoso
El cartílago articular tiene capacidades
limitadas de autorreparación; por lo tanto, pueden ocurrir varios
trastornos debido a la degeneración de las articulaciones. El
microambiente avascular del tejido del cartílago provoca una cantidad
limitada de intercambio de nutrientes y una circulación limitada de
células progenitoras a lo largo del cartílago articular, lo que resulta
en una curación limitada de las regiones dañadas (Li et al., 2017). Los
enfoques terapéuticos tradicionales, como la implantación de células
madre, aloinjertos y autoinjertos, pueden promover la reconstrucción del
cartílago dañado. Sin embargo, la degeneración del cartílago, la
integración incompleta, la transmisión de enfermedades y la necesidad de
cirugía adicional pueden disminuir la eficacia de estos tratamientos
(Nasiri et al., 2019; Ng y Bernhard, 2017).
La ingeniería de tejidos parece ser un enfoque deseable para la regeneración del cartílago. El propósito de la ingeniería del tejido del cartílago es proporcionar condiciones óptimas que se asemejen a los microambientes celulares y extracelulares del cartílago nativo (Chinta et al., 2021). La matriz extracelular (ECM) proporciona un microambiente dinámico y señales específicas para la promoción de interacciones célula-matriz, así como la activación de cascadas de señalización. La ECM puede funcionar como soporte mecánico y reservorio de ligandos de adhesión, citoquinas y factores de crecimiento. Los biomateriales diseñados para parecerse a características vitales de la ECM nativa son estrategias prometedoras que podrían imitar funciones celulares específicas y posteriormente reparar el cartílago dañado (Rasheed et al., 2019; Yang et al., 2017).
Los proteoglicanos son componentes importantes de la ECM del cartílago; Consisten en glucosaminoglicanos sulfatados (sGAG), como el sulfato de heparán y el sulfato de condroitina, que se unen perpendicularmente a una proteína central para formar una forma similar a un cepillo. Estos sGAG con carga negativa proporcionan un estado de hidratación para la ECM y secuestran factores de crecimiento con carga positiva. Por lo tanto, el estado de sulfatación de la ECM es un parámetro importante para la regulación de la señalización del factor de crecimiento en el cartílago articular (Mhanna et al., 2017; Waghmare et al., 2018, Waghmare et al., 2018).
Los polisacáridos como el alginato, el quitosano, el ácido hialurónico y el sulfato de condroitina tienen grandes funciones biológicas en el organismo, como la señalización celular. Los polisacáridos tienen altos grados de similitud en su estructura fisicoquímica con el componente principal de la ECM del cartílago. Desempeñan un papel importante en la regulación de la migración celular, la unión al receptor y, posteriormente, la restauración de la función de una articulación artrítica (Dinoro et al., 2019; Heo et al., 2020; Taemeh et al., 2020). Sin embargo, sus bajas propiedades mecánicas y su corta duración in vivo limitan las aplicaciones clínicas de las construcciones basadas en polisacáridos. Por lo tanto, se debe considerar la mejora de sus características mecánicas y la preservación de las afinidades deseables entre células y tejidos al diseñar andamios basados en polisacáridos (Ivirico et al., 2017; Liu et al., 2017).
La exposición sostenida a agentes condroinductores, como moléculas pequeñas y factores de crecimiento, puede provocar una condrogénesis exitosa y una regeneración del cartílago. Es importante desarrollar sistemas de administración fáciles y mínimamente invasivos para proporcionar una exposición a largo plazo de factores condrogénicos a células encapsuladas o áreas defectuosas, y esto podría promover la funcionalidad biológica de las construcciones diseñadas (Patel et al., 2019). Por otro lado, con la llegada de la tecnología de bioimpresión, se pueden fabricar construcciones funcionales tridimensionales (3D) que se asemejan a la complicada estructura heterogénea del tejido osteocondral mediante el uso de la deposición controlada de biotintas cargadas de células que contienen varios agentes condroinductores. Los bioenlaces apropiados que puedan diseñarse para incluir señales biofísicas y bioquímicas deseables son esenciales para mejorar la regeneración de tejidos (Radhakrishnan et al., 2017; Sadeghianmaryan et al., 2020).
En esta revisión, nos centramos en el desarrollo de polisacáridos sulfatados que pueden usarse como sustitutos bioinspirados para la reparación del cartílago. A continuación, revisamos las estrategias para ajustar las propiedades mecánicas de los andamios a base de polisacáridos en los cartílagos que soportan carga. También investigamos el uso de andamios a base de polisacáridos como biotintas impresas y vehículos para la administración de factores condroinductivos para promover la condrogénesis (Fig. 1).
El propósito de la ingeniería del tejido
cartilaginoso es proporcionar construcciones artificiales con funciones
biológicas y características mecánicas que se asemejen al tejido nativo
para mejorar la regeneración del tejido. Las características
bioquímicas del microambiente de la matriz extracelular (MEC) del
cartílago proporcionan una plataforma para que los investigadores
desarrollen materiales biomiméticos para una reparación óptima de los
tejidos. Debido a la similitud estructural de los polisacáridos con las
características fisicoquímicas de la ECM del cartílago, estos polímeros
naturales captan una atención especial para el desarrollo de materiales
biomiméticos. Las propiedades mecánicas de las construcciones desempeñan
una influencia crucial en los tejidos cartilaginosos que soportan
carga. Además, la adición de moléculas bioactivas apropiadas a estas
construcciones puede promover la condrogénesis. Aquí, analizamos
construcciones basadas en polisacáridos que pueden usarse para crear
sustitutos para la regeneración del cartílago. Tenemos la intención de
centrarnos en materiales bioinspirados recientemente desarrollados,
afinar las propiedades mecánicas de las construcciones, el diseño de
portadores cargados por agentes condroinductivos y el desarrollo de
biotintas apropiadas como enfoque de bioimpresión para la regeneración
del cartílago.
Baei P, Daemi H, Aramesh F, Baharvand H, Eslaminejad MB. Advances in mechanically robust and biomimetic polysaccharide-based constructs for cartilage tissue engineering. Carbohydr Polym. 2023 May 15;308:120650. doi: 10.1016/j.carbpol.2023.120650. Epub 2023 Feb 4. PMID: 36813342.
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