Biomateriales para la reparación del cartílago articular: estrategias y aplicaciones
Resumen
La lesión del cartílago articular es una enfermedad frecuente en todo el mundo, y se necesita urgentemente un tratamiento eficaz. Debido a la falta de vasos sanguíneos y nervios, la capacidad del cartílago para autorrepararse es limitada. A pesar de la disponibilidad de diversos tratamientos clínicos, los pronósticos y las complicaciones desfavorables siguen siendo frecuentes. Sin embargo, la llegada de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa ha generado un interés considerable en el uso de biomateriales para la reparación del cartílago articular. No obstante, sigue habiendo una notable escasez de revisiones exhaustivas que proporcionen una exploración en profundidad de las diversas estrategias y aplicaciones. En este artículo, presentamos una descripción general de los principales biomateriales y sustancias bioactivas desde la perspectiva de la ingeniería de tejidos para reparar el cartílago articular. Las estrategias incluyen la regeneración, la sustitución y la inmunización. Delineamos exhaustivamente la influencia de los andamios de soporte mecánico en el comportamiento celular, arrojando luz sobre las tecnologías de andamios emergentes, incluidos los andamios inteligentes sensibles a estímulos, los andamios impresos en 3D y los andamios biónicos de cartílago. Se explican las sustancias biológicamente activas, incluidos los factores bioactivos, las células madre, las vesículas extracelulares (VE) y los organoides del cartílago, por su papel en la regulación de la actividad de los condrocitos. Además, también se presentan explícitamente los andamios bioactivos compuestos producidos industrialmente para su uso clínico. Esta revisión ofrece soluciones innovadoras para el tratamiento de dolencias del cartílago articular y enfatiza el potencial de los biomateriales para la reparación del cartílago articular en la traducción clínica.
Introducción
En los últimos años, las lesiones del cartílago articular se han convertido en un problema de salud mundial de gran prevalencia y plantean un importante desafío terapéutico en ortopedia y medicina deportiva [1]. En un estudio en el que participaron 1000 pacientes sometidos a artroscopia de rodilla, el 61 % presentó signos de patología osteocondral o del cartílago. Además, el 19 % de los pacientes mostró defectos focales osteocondrales o del cartílago [2]. El cartílago articular es un tejido conectivo liso, elástico y translúcido que soporta cargas y reduce la fricción articular [3]. En los casos de lesión del cartílago, el primer daño estructural se produce en la capa superficial del cartílago, lo que lleva a la pérdida de proteoglicanos en la matriz extracelular (ECM) y a la interrupción de la red de fibras de colágeno [4]. Posteriormente, los condrocitos se degeneran y se pierden, lo que da como resultado un daño localizado menor que puede extenderse a las capas media y profunda del cartílago [5]. El tejido cartilaginoso tiene pocas células, no tiene vasos sanguíneos, linfa ni nervios, lo que restringe la capacidad de reparación después de una lesión [6]. Además, un tratamiento deficiente de las lesiones del cartílago puede causar artritis degenerativa, lesiones de menisco, hiperplasia ósea y otras enfermedades articulares [7,8].
Existen varias técnicas clínicas disponibles para tratar las lesiones del cartílago, incluidas la tecnología de microfractura, la tecnología de trasplante osteocondral [9,10], la tecnología de trasplante de condrocitos autólogos y la tecnología de condrogénesis inducida por matriz [11]. Sin embargo, estas técnicas tienen limitaciones significativas, como el desafío de reparar grandes áreas de lesión, la respuesta inmunitaria del paciente y la disponibilidad limitada de tejido del donante [12]. En las técnicas artroscópicas, las células progenitoras se reclutan del torrente sanguíneo y la médula ósea en los huecos creados por la microperforación o la microfractura [13]. Si bien este enfoque promueve la regeneración del cartílago al inducir la diferenciación de estas células en fenotipos condrógenos, da como resultado un cartílago mecánicamente débil que a menudo degenera en osteoartritis severa más adelante [14]. El trasplante de tejidos blandos como pericondrio y periostio a defectos de cartílago articular de espesor completo puede provocar calcificación del injerto, adhesión inadecuada a los defectos y altas tasas de pérdida del injerto [15,16]. Se emplean varios enfoques no quirúrgicos para controlar la progresión de la enfermedad, como medicamentos antiinflamatorios no esteroideos orales, inyecciones intraarticulares de ácido hialurónico e inyecciones de plasma rico en plaquetas. Aunque los resultados clínicos demuestran cierta eficacia en el alivio temprano del dolor y la nutrición del cartílago, las características inherentes del cartílago limitan la efectividad de los tratamientos conservadores [17]. Actualmente, la restauración del cartílago dañado y la desaceleración de la degeneración del cartílago articular siguen siendo desafíos importantes en el ámbito clínico. Por lo tanto, es imperativo desarrollar biomateriales que promuevan eficazmente la regeneración y reparación fisiológica del cartílago para superar las limitaciones de las técnicas clínicas actuales.
La aparición de la medicina regenerativa y la ingeniería de tejidos ha generado más oportunidades para la reparación del cartílago. Dadas las propiedades mecánicas, la forma específica y la actividad biológica del cartílago, las estrategias de reparación se pueden adaptar para adaptarse a diferentes propiedades [18]. Los investigadores han logrado avances significativos en el desarrollo de biomateriales que abordan los desafíos clínicos y técnicos [[19], [20], [21]]. Esta revisión proporciona una descripción general completa de las últimas estrategias para la reparación del cartílago, categorizadas en tres tipos: regeneración, sustitución e inmunización. El andamio inteligente que responde a los estímulos puede detectar y tratar con precisión el daño del cartílago al responder específicamente a las señales físicas. Los andamios emergentes brindan un soporte mecánico y una tenacidad adecuados para los condrocitos y el intersticio celular, como los andamios biónicos de cartílago e impresos en 3D. Las sustancias biológicamente activas pueden reparar con precisión la función del cartílago, principalmente promoviendo la proliferación y diferenciación de los condrocitos mediante factores bioactivos, células madre, EV y organoides. Además, se producen varios productos comerciales para tratar las lesiones del cartílago (Fig. 1). Esta revisión ofrece información sobre los mecanismos de reparación de las lesiones del cartílago y su posible importancia clínica.
Conclusión y perspectivas futuras
El cartílago es un tejido conectivo avascular y aneural con una capacidad regenerativa limitada, que requiere una intervención externa para promover la reparación después de una lesión. Dados los desafíos asociados con la reparación de lesiones del cartílago, esta revisión resume varias estrategias basadas en biomateriales para la reparación del cartílago. Un avance notable en este ámbito es el desarrollo de andamios inteligentes sensibles a estímulos, capaces de detectar y abordar con precisión el daño del cartílago a través de respuestas dirigidas a señales físicas. Estos andamios emergentes, ejemplificados por andamios biónicos de cartílago e impresos en 3D, brindan un soporte mecánico sólido para los condrocitos y la matriz extracelular. Los agentes biológicamente activos desempeñan un papel fundamental en la reparación del cartílago, principalmente al promover la proliferación y diferenciación de los condrocitos mediante el uso de factores bioactivos, células madre, EV y organoides. Además, se han introducido varios productos comerciales para abordar las lesiones del cartílago. Esta revisión profundiza en los mecanismos que sustentan la reparación de las lesiones del cartílago y destaca sus posibles implicaciones clínicas.
A pesar de los desafíos en la traducción clínica y la aplicación práctica, el campo de los materiales de reparación del cartílago es muy prometedor para proporcionar soluciones innovadoras al tratamiento de las lesiones del cartílago. Sin embargo, aún deben abordarse varias cuestiones críticas para mejorar la eficacia y la viabilidad de estos materiales.
(1)La excelente biocompatibilidad reduce las reacciones de rechazo y reduce el daño tisular. Sin embargo, algunos materiales aún tienen problemas de biocompatibilidad deficiente, lo que conduce a inflamación después de la implantación. Los materiales de reparación del cartílago también deben unirse de manera rápida y eficaz con los tejidos circundantes para promover el proceso de reparación. Por lo tanto, mejorar la biocompatibilidad de los materiales de reparación del cartílago y optimizar sus capacidades de unión con los tejidos circundantes siguen siendo objetivos esenciales en este campo.
(2)Si bien muchos experimentos con animales y ensayos humanos preliminares han demostrado el potencial de las células madre en el tratamiento de las lesiones del cartílago, es necesario realizar más investigaciones para optimizar por completo este enfoque terapéutico. En concreto, la fuente óptima de células madre, la duración ideal del tratamiento y la modalidad óptima de trasplante requieren más investigación. Además, los efectos a largo plazo y los riesgos potenciales del tratamiento con células madre para las lesiones del cartílago también requieren investigación adicional. Por lo tanto, los estudios futuros deben abordar estas cuestiones críticas para maximizar el potencial de la terapia con células madre para tratar las lesiones del cartílago.
(3)El uso de EV para la biorremediación del cartílago muestra ser prometedor, pero los protocolos específicos para su utilización requieren una mayor exploración y optimización. Las áreas críticas de investigación incluyen el acceso a las EV, la selección de portadores y biomateriales apropiados y el control de la liberación de vesículas y la administración dirigida. Por lo tanto, los estudios futuros deben abordar estos desafíos para optimizar el potencial terapéutico de las EV para la biorremediación del cartílago.
(4)Los organoides cartilaginosos como un modelo de tejido compuesto de biomateriales y células. Muchas áreas merecen estudio, incluido el modelado de enfermedades, el descubrimiento de fármacos y la medicina regenerativa. Los estudios futuros deben abordar estas áreas críticas, incluido el desarrollo de fuentes celulares y condiciones de cultivo óptimas, y la mejora de la caracterización funcional y fenotípica de los organoides. (5) Mejorar la maquinabilidad de los materiales y reducir su costo es crucial para que los materiales de reparación de cartílago sean más prácticos para aplicaciones industriales y clínicas. Una alta maquinabilidad permitiría procesos de fabricación más eficientes y, al mismo tiempo, reduciría el costo de estos materiales, haciéndolos más accesibles para una mayor población de pacientes. Estas son áreas de enfoque esenciales para los investigadores y desarrolladores que trabajan en materiales de reparación de cartílago.
Articular cartilage repair biomaterials: strategies and applications – PubMed
Articular cartilage repair biomaterials: strategies and applications – PMC
Articular cartilage repair biomaterials: strategies and applications – ScienceDirect
Wang M, Wu Y, Li G, Lin Q, Zhang W, Liu H, Su J. Articular cartilage repair biomaterials: strategies and applications. Mater Today Bio. 2024 Jan 6;24:100948. doi: 10.1016/j.mtbio.2024.100948. PMID: 38269053; PMCID: PMC10806349.
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PMCID: PMC10806349 PMID: 38269053
