El laboratorio de Stupp había diseñado moléculas capaces de autoensamblarse en nanofibras miles de veces más delgadas que un cabello humano que puede imitar las estructuras celulares y la señalización biológica. La tecnología puede usarse para regenerar tejidos y órganos que abarcan desde huesos y cartílagos hasta tejidos musculares y cerebrales. Hsu esperaba poder reconstruir los huesos en la terapia de la columna vertebral.

“Aprendimos que podíamos ayudarnos unos a otros: aplicar su tecnología a mis pacientes clínicos”, dice Hsu, Clifford C. Raisbeck, MD, profesor de cirugía ortopédica. “Puedes tener la mejor tecnología del mundo, pero si no sabes cómo aplicarla o cómo promocionarla, todo puede ser en vano”.

Samuel Stupp, PhD, director, Louis A. Simpson y Kimberly K. Querrey Institute for BioNanotechnology
Samuel Stupp, PhD, director, Louis A. Simpson y el Instituto Kimberly K. Querrey para BioNanotecnología.
La fusión espinal es una cirugía que “une” las vértebras en la columna vertebral para que cicatricen en un solo hueso. El procedimiento está diseñado para imitar el proceso de curación normal de los huesos rotos y se utiliza para eliminar el dolor causado por huesos fracturados, deformidades o artritis. Durante un procedimiento de fusión espinal, un cirujano toma pequeños trozos de hueso o un sustituto de injerto óseo sintético y los coloca entre las vértebras para ayudarlos a fusionarse.

Si bien los avances en tecnología y los sustitutos de los injertos óseos han mejorado este proceso, aún se necesitan mejores tasas de fusión de la columna con efectos secundarios mínimos. Con esto en mente, Hsu y su esposa Erin Hsu, PhD, profesor asistente de investigación de Cirugía Ortopédica, ambos profesores residentes en el SQI, intentaron aplicar las novedosas nanofibras de Stupp a modelos animales de fusión espinal.

Trabajando juntos, el equipo de Stupp-Hsu desarrolló una nueva versión del material de nanofibras que creen que será un mejor sustituto de injerto óseo. Hecho de colágeno y nanofibras autoensamblables, su “nanoslurry” es una pasta maleable que se une a los factores de crecimiento nativos en el propio cuerpo de un paciente, mejorando la capacidad de curación natural.

En entornos de curación desafiantes, este “lodo” también puede liberar BMP-2, una proteína de factor de crecimiento fundamental en la regeneración de los huesos. La proteína BMP-2 se libera a lo largo del tiempo para inducir el crecimiento óseo, por lo que se requieren cantidades más bajas de proteína para una fusión exitosa, lo que podría minimizar los efectos secundarios. En cualquiera de las iteraciones, esta pasta permitirá a los cirujanos adaptar el material para rellenar cualquier defecto óseo de cualquier tamaño.

“Tenemos estos nanogeles sintéticos que sabemos que pueden promover la formación de hueso, pero para trabajar en la sala de operaciones, deben ser fácilmente accesibles e implantarse fácilmente”, dice Erin Hsu. “Esta lechada permitirá que los geles de nanofibras se usen de una manera más universal”.

Wellington Hsu agrega, “Diferentes aplicaciones para cirugías de columna requieren diferentes características de un producto. Nuestras colaboraciones pueden optimizar la capacidad de definir esas características, ya sea que deseemos que nuestro producto sea más espeso, o más como una pasta de dientes o más como un pan frito “.

MATERIALES DE PRÓXIMA GENERACIÓN

La investigación de Stupp se basa en la química supramolecular, que explora cómo las moléculas interactúan entre sí y cómo se autoensamblan y funcionan. La ciencia subyacente detrás del campo fue reconocida en 1987 cuando Donald J. Cram, Jean-Marie Lehn y Charles J. Pedersen recibieron el Premio Nobel de Química.

Stupp encabezó el estudio de los “biomateriales supramoleculares”, materiales de autoensamblaje que pueden diseñarse para interactuar específicamente con las células. “Lo que hace que este campo sea emocionante es usar ciencia de vanguardia, es algo nuevo para todos, y tener un impacto en la vida y calidad de vida de las personas”, dice Stupp, quien también es profesor en Feinberg, Weinberg College of Arts. y Ciencias, y la Escuela de Ingeniería McCormick.

El trabajo de Stupp se centra en el desarrollo de materiales que imitan la arquitectura a nanoescala de matrices extracelulares que rodean las células de mamíferos. Estos materiales tienen la capacidad de mostrar señales biológicas que pueden interactuar con los receptores y hacer que las células migren, proliferen o se diferencien.

Las nanofibras que Stupp ha diseñado parecen fibras de colágeno o fibronectina, ambas estructuras de la matriz extracelular. Se pueden construir a partir de una combinación de aminoácidos, ácidos nucleicos, lípidos y azúcares, lo que les permite degradarse en nutrientes para las células. Los científicos creen que pueden incorporar cualquier señal biológica en estas nanofibras para lograr un objetivo específico de medicina regenerativa.

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