Diseño de biomateriales para regeneración ósea basados en andamios y nanopartículas de vidrio mesoporoso enriquecidos con zinc y/o osteostatina y células madre mesenquimales

Resumen

La sociedad actual, cada vez más envejecida, presenta patologías y/o fracturas óseas que necesitan tratarse de forma efectiva. El patrón oro de los injertos óseos es el autoinjerto. Sin embargo, su uso tiene limitaciones como la cantidad de tejido a extraer, la morbilidad generada, los procesos de infección o el riesgo de la operación. La ingeniería de tejidos trabaja para diseñar sustitutos óseos capaces de tratar distintas patologías y fracturas, sin la problemática del autoinjerto. En los últimos años se están investigando biomateriales con las características necesarias para esta aplicación clínica. Entre ellos, destacan los vidrios mesoporosos bioactivos (MBGs) por sus grandes áreas superficiales y tamaños de poro, su bioactividad, biocompatibilidad y capacidad osteogénica. Este estudio propone dos sistemas para abordar la regeneración ósea. Ambos se basan en MBGs que se conforman en andamios tridimensionales meso-macroporosos o en nanopartículas (MGNs). Estos biomateriales se potencian dopándolos con zinc, ion osteogénico y antibacteriano, y cargándolos con distintas biomoléculas. Los andamios con osteostatina (OST), pentapéptido osteogénico, o con antibióticos como levofloxacino, vancomicina, gentamicina o rifampicina. Las MGNs con la biomolécula antibacteriana curcumina (CUR). La citocompatibilidad y capacidad osteogénica de los sistemas se evalúa in vitro con células preosteoblásticas de ratón MC3T3-E1 y células madre mesenquimales (MSCs) humanas o de conejo. Además, su capacidad antibacteriana se analiza in vitro con las cepas S. aureus y/o E. coli. Se ha comprobado que cuando se combina el MBG con un 4% de óxido de zinc (4ZN) y OST, se genera un efecto osteogénico sinérgico capaz de promover la diferenciación de las células MC3T3-E1 y las MSCs. Además, al añadir zinc se consigue disminuir la cantidad de fármaco empleada para inhibir el crecimiento bacteriano de S. aureus y E. coli hasta la mínima inhibitoria, ya que combinada con el zinc y actuando de forma sinérgica, es suficiente para inhibir su crecimiento. Por último, se comprueba que se pueden emplear técnicas antibacterianas alternativas al tratamiento convencional con fármacos ya que, al combinar curcumina y zinc en las MGNs, se genera un efecto sinérgico que consigue inhibir el crecimiento de S. aureus. Finalmente, se evalúa la capacidad osteogénica de los andamios de MBG in vivo en conejos de Nueva Zelanda. Los resultados muestran que los andamios 4ZN cargados con osteostatina (4ZN-OST) y decorados con células madre mesenquimales (4ZN-OST-MSC), regeneran los defectos óseos, observándose una degradación paulatina del implante que es sustituido por tejido óseo de nueva formación. En conclusión, se han conseguido diseñar, sintetizar, caracterizar y evaluar in vitro y/o in vivo distintos biomateriales con base de MBG, dopados con zinc y cargados con distintas biomoléculas y fármacos. Los ensayos permiten corroborar la acción osteogénica sinérgica que se establece entre los materiales, el zinc, la osteostatina y las MSCs. Por otra parte, la concentración mínima inhibitoria de los antibióticos en los materiales 4ZN es suficiente para inhibir el crecimiento bacteriano. Así mismo, la combinación de zinc y curcumina en las MGNs muestra resultados antibacterianos positivos siendo capaces de inhibir el crecimiento de S. aureus. En definitiva, los materiales estudiados muestran resultados prometedores y podrían ser una herramienta terapéutica muy potente en medicina regenerativa e ingeniería de tejidos. Regeneración ósea, infección, vidrios mesoporosos bioactivos, zinc, células madre, osteostatina, curcumina, antibióticos.