No ha habido un estándar de oro para que los cirujanos ortopédicos de la columna promuevan el crecimiento óseo nuevo en pacientes, pero ahora los científicos de la Universidad de Northwestern han diseñado un nanomaterial bioactivo que estimula la regeneración ósea y podría convertirse en el método preferido por los cirujanos.

Mientras se estudia en un modelo animal de fusión espinal, el método para promover el crecimiento óseo nuevo podría traducirse fácilmente en humanos, según los investigadores, donde una población envejecida pero activa en 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, desde la reparación de traumas óseos hasta el tratamiento del cáncer óseo y el crecimiento óseo para implantes dentales.

Los hallazgos fueron publicados hoy (19 de junio) en la revista Nature Nanotechnology.

La tapa de Nature Nanotechnology “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, incluidos los músculos, los tendones y el cartílago”.
Stupp es director del Instituto Simpson Querrey para BioNanotecnología de Northwestern y del Consejo de Fideicomisarios. Profesor 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 de la Facultad de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern. El equipo de 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, denominado 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. Esta es una muy buena noticia, ya que 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 costoso.

Bone La región coloreada en una imagen de micro-TC muestra hueso regenerado de alta calidad en la columna vertebral con un uso mínimo del factor de crecimiento. Las funciones del nanomaterial biodegradable de Stupep son una matriz extracelular artificial que imita con qué células en el cuerpo generalmente interactúan en su entorno. BMP-2 activa ciertos tipos de células madre y las señala para que se conviertan en células óseas. La matriz Northwestern, que consiste en diminutos filamentos a nanoescala, une la proteína por diseño molecular de la forma en que los azúcares naturales la unen en nuestro cuerpo y luego la libera lentamente cuando es necesario, en lugar de hacerlo en un primer estallido, lo 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 parece 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 “atrapan” la proteína en un punto específico que es precisamente el mismo que se usa en los sistemas biológicos cuando llega 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 de origen natural en nuestros cuerpos.

En la naturaleza, los polímeros de azúcar se conocen como polisacáridos sulfatados, que tienen estructuras súper complejas 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. Dichas proteínas incluyen aquellas involucradas en el crecimiento de los vasos sanguíneos, el reclutamiento celular y la proliferación celular, todas ellas muy importantes biológicamente en la regeneración tisular. 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 utilizando un injerto óseo y factores de crecimiento para promover el crecimiento óseo nuevo, lo 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 forma clínicamente eficaz, segura y rentable de formar hueso”, dijo Wellington Hsu, cirujano de la columna vertebral. “El éxito de este nanomaterial me excita de que todos los cirujanos de la columna vertebral algún día puedan suscribirse a este método para el injerto óseo. En este momento, si encuesta a una audiencia de cirujanos de la columna vertebral, obtendrá de 15 a 20 respuestas diferentes sobre lo que utilizan para el injerto óseo. Necesitamos estandarizar la elección y mejorar los resultados del paciente “.

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