Design and development of biomaterials for spinal cord injury repair

Resumen

Actualmente no existe ningún tratamiento que permita la curación completa de la lesión medular. Este síndrome clínico se caracteriza principalmente por el daño de los axones neuronales y la creación de un entorno inhibitorio para la regeneración del tejido lesionado. Por ello, especialistas en los campos de la Ingeniería de Tejidos y la Ciencia de Materiales llevan años explorando la implementación de nuevos dispositivos implantables que puedan colocarse en el lugar de la lesión para inducir tanto la regeneración tisular como su recuperación funcional. Por ejemplo, los últimos avances en nanotecnología han permitido la optimización de plataformas basadas en electrodos cuyas características físico-químicas pueden manipularse con el fin de obtener la mejor respuesta biológica y que utilizan la estimulación eléctrica para modular el desarrollo y la actividad de las redes neuronales. Otra estrategia consiste en el diseño de biomateriales 3D que puedan ser implantados en la zona de lesión con el fin de estabilizar la médula espinal y actuar como guía de los componentes del tejido neural espinal para alcanzar su reconexión. En esta tesis, hemos investigado dos plataformas diferentes capaces de actuar como interfaces neurales basadas en las dos estrategias citadas anteriormente. Por un lado, hemos estudiado la biocompatibilidad in vitro de nanohilos metálicos que funcionarán como nanoelectrodos dentro de un dispositivo capaz de actuar como ¿bypass¿ en la lesión. Estos nanohilos metálicos se han fabricado por electrodeposición de níquel (Ni) u oro (Au) sobre una base plana y flexible de Au, de manera que queden anclados y dispuestos verticalmente sobre ella. Las pruebas in vitro se han centrado en el efecto que ejercen la composición química y la nanotopografía en el comportamiento biológico de cultivos primarios de células neurales. Por otro lado, dos tipos de plataformas 3D fabricadas a partir de óxido de grafeno reducido se han implantado crónicamente en un modelo de hemisección de la médula espinal cervical en rata. La biocompatibilidad in vivo de estos implantes se ha estudiado en detalle siguiendo un enfoque interdisciplinar. En concreto, se han examinado posibles cambios en el comportamiento de los animales, así como las respuestas tisulares locales y sistémicas causadas por su implantación. Los implantes han consistido, por un lado, en una espuma altamente porosa y, por otro lado, en microfibras integradas en un hidrogel de gelatina, ambos sin ninguna funcionalización biológica adicional. Con respecto a los electrodos metálicos, los resultados han demostrado que la composición química y la nanotopografía, ya sea por separado o combinadas, modulan el comportamiento de las células neurales in vitro. Particularmente, los nanohilos de Ni aumentan tanto la supervivencia celular como la diferenciación neuronal y reducen la presencia de células de glía, con respecto a sus equivalentes planos. Por el contrario, la nanotopografía parece no ejercer efectos relevantes sobre el comportamiento de las células neurales crecidas sobre sustratos de Au. Con respecto a los biomateriales basados en grafeno, ambos implantes han promovido la estabilización del tejido espinal lesionado, así como la presencia de estructuras neuronales acompañadas de vasos sanguíneos en el epicentro de la lesión. Además, las espumas de grafeno reducen el daño perilesional y no causan efectos adversos por compresión ni tracción. De hecho, su presencia parece modular las respuestas inflamatorias. Finalmente, ninguno de los implantes ha provocado alteraciones en el comportamiento espontáneo de las ratas, ni toxicidad sistémica. En conclusión, estos resultados demuestran el potencial de estas plataformas como interfaces neurales capaces de promover la reparación de la médula espinal lesionada.