No ha habido un estándar de oro sobre cómo los cirujanos ortopédicos de columna promueven el crecimiento de hueso nuevo en los pacientes, pero ahora los científicos de la Universidad Northwestern han diseñado un nanomaterial bioactivo que es tan bueno para estimular la regeneración ósea que podría convertirse en el método que prefieren los cirujanos.

Mientras estudiaba en un modelo animal de fusión espinal, el método para promover el crecimiento de hueso nuevo podría traducirse fácilmente a los humanos, los investigadores dicen, donde una población envejecida pero activa en los EE. UU. recibe cada vez más esta cirugía para tratar el dolor debido a la degeneración del disco, trauma y otros problemas de espalda. Muchos otros procedimientos podrían beneficiarse del nanomaterial, que van desde la reparación de traumatismos óseos hasta el tratamiento del cáncer de hueso y el crecimiento óseo para implantes dentales.

"La medicina regenerativa puede mejorar la calidad de vida al ofrecer enfoques menos invasivos y más exitosos para promover el crecimiento óseo, "dijo Samuel I. Stupp, quien desarrolló el nuevo nanomaterial. "Nuestro método es muy flexible y podría adaptarse para la regeneración de otros tejidos, incluyendo músculo, tendones y cartílagos ".

Stupp es director del Instituto Simpson Querrey de BioNanotecnología de Northwestern y profesor del Consejo de Administración de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica.

Para el estudio interdisciplinario, Stupp colaboró ​​con el Dr. Wellington K. Hsu, profesor asociado de cirugía ortopédica, y Erin L. K. Hsu, profesor asistente de investigación de cirugía ortopédica, ambos en la Facultad de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern. El equipo formado por marido y mujer está trabajando para mejorar los métodos de regeneración ósea empleados clínicamente.

Las moléculas de azúcar en la superficie del nanomaterial proporcionan su poder regenerador. Los investigadores estudiaron in vivo el efecto del nanomaterial "recubierto de azúcar" sobre la actividad de un factor de crecimiento utilizado clínicamente. llamada proteína morfogenética ósea 2 (BMP-2). Descubrieron que la cantidad de proteína necesaria para una fusión espinal exitosa se redujo a un nivel sin precedentes:se necesitaba 100 veces menos de BMP-2. Son muy buenas noticias, porque se sabe que el factor de crecimiento causa efectos secundarios peligrosos cuando se usa en las cantidades necesarias para regenerar hueso de alta calidad, y también es caro.

Los hallazgos fueron publicados hoy (19 de junio) en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

El nanomaterial biodegradable de Stupp funciona como una matriz extracelular artificial, que imita con lo que las células del cuerpo suelen interactuar en su entorno. BMP-2 activa ciertos tipos de células madre y les indica que se conviertan en células óseas. La matriz del noroeste, que consta de diminutos filamentos a nanoescala, une la proteína por diseño molecular de la manera en que los azúcares naturales la unen en nuestro cuerpo y luego la libera lentamente cuando es necesario, en lugar de una ráfaga temprana, que puede contribuir a los efectos secundarios.

Para crear las nanoestructuras, El equipo de investigación dirigido por Stupp sintetizó un tipo específico de azúcar que se asemeja mucho a los utilizados por la naturaleza para activar BMP-2 cuando la señalización celular es necesaria para el crecimiento óseo. Las moléculas de azúcar flexibles que se mueven rápidamente y que se muestran en la superficie de las nanoestructuras "agarran" la proteína en un lugar específico que es precisamente el mismo que se usa en los sistemas biológicos cuando es el momento de desplegar la señal. Esto potencia las señales de crecimiento óseo a un nivel sorprendente que supera incluso a los polímeros de azúcar naturales en nuestro cuerpo.

En naturaleza, los polímeros de azúcar se conocen como polisacáridos sulfatados, que tienen estructuras supercomplejas imposibles de sintetizar en la actualidad con técnicas químicas. Se sabe que cientos de proteínas en sistemas biológicos tienen dominios específicos para unir estos polímeros de azúcar con el fin de activar señales. Tales proteínas incluyen aquellas involucradas en el crecimiento de los vasos sanguíneos, reclutamiento celular y proliferación celular, todo muy importante biológicamente en la regeneración de tejidos. Por lo tanto, el enfoque del equipo Stupp podría extenderse a otros objetivos regenerativos.

La fusión espinal es un procedimiento quirúrgico común que une las vértebras adyacentes mediante un injerto óseo y factores de crecimiento para promover el crecimiento de hueso nuevo. que estabiliza la columna vertebral. El hueso utilizado en el injerto puede provenir de la pelvis del paciente (un procedimiento invasivo) o de un banco de huesos.

"Existe una necesidad real de una solución clínicamente eficaz, forma segura y rentable de formar hueso, "dijo Wellington Hsu, un cirujano de columna. "El éxito de este nanomaterial me entusiasma de que todos los cirujanos de columna puedan suscribirse algún día a este método de injerto óseo. En este momento, si encuesta a una audiencia de cirujanos de columna, obtendrá de 15 a 20 respuestas diferentes sobre lo que utilizan para el injerto óseo. Necesitamos estandarizar las opciones y mejorar los resultados de los pacientes ".

En la parte in vivo del estudio, el nanomaterial se entregó a la columna usando una esponja de colágeno. Esta es la forma en que los cirujanos administran actualmente BMP-2 clínicamente para promover el crecimiento óseo.

El equipo de investigación de Northwestern planea buscar la aprobación de la Administración de Drogas y Alimentos para lanzar un ensayo clínico que estudie el nanomaterial para la regeneración ósea en humanos.

"Los cirujanos buscamos portadores óptimos para los factores de crecimiento y las células, "Wellington Hsu dijo." Con sus numerosos sitios de unión, los largos filamentos de este nuevo nanomaterial tienen más éxito que los portadores existentes para liberar el factor de crecimiento cuando el cuerpo está listo. El tiempo es fundamental para el éxito en la regeneración ósea ".

En el nuevo nanomaterial, los azúcares se muestran en un andamio construido a partir de moléculas autoensambladas conocidas como péptidos anfífilos, desarrollado por primera vez por Stupp hace 15 años. Estas moléculas sintéticas han sido fundamentales en su trabajo sobre medicina regenerativa.

"Nos centramos en la regeneración ósea para demostrar el poder de la nanoestructura del azúcar para proporcionar un gran impulso de señalización, "Dijo Stupp." Con pequeños cambios de diseño, el método podría utilizarse con otros factores de crecimiento para la regeneración de todo tipo de tejidos. Es posible que algún día podamos eliminar por completo el uso de factores de crecimiento producidos por biotecnología recombinante y, en cambio, potenciar los naturales en nuestros cuerpos ".

El artículo se titula "Nanoestructuras de glucopéptidos sulfatados para la activación de proteínas multipotentes".