Biomateriales: cuando los superhéroes no pueden solos

Autor: 

Kenneth Fowler
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26 Enero 2021
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Tomada de greenarea.me

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En el siglo XXI, y con los avances de la ciencia en la comprensión del funcionamiento interno de nuestro organismo, no debiera ser una sorpresa para nadie que convivamos con millones de invisibles superhéroes cuyas capacidades impresionantes propician la vida.

Tomemos el tejido óseo, por ejemplo. Contrario a lo que pudiera parecer, el hueso es un tejido dinámico que se encuentra en un ciclo constante de formación mediada por los osteoblastos y reabsorción protagonizada por los osteoclastos. ¿Alguna vez has sufrido una fractura y te han inmovilizado la zona? Es para dejar que los osteoblastos, esas células-superhéroes, hagan su trabajo. Es el hueso uno de los tejidos que puede autoregenerarse al mejor estilo de Wolverine o Deadpol.

No obstante, hay ocasiones en que los osteoclastos le ganan la partida a su contraparte y esa regeneración se dificulta. A fin de cuentas, los superhéroes no siempre pueden solos. Existen factores como la edad, el tamaño de la lesión, co-morbilidades como la diabetes, la osteoporosis o infecciones que pueden llegar hasta la osteomielitis, que afectan el balance entre osteoblastos y osteoclastos e inclinan la balanza negativamente hacia la reabsorción del tejido. ¿Cómo entonces ayudar a los superosteoblastos?

La alternativa primaria es lógicamente la implantación de tejido óseo en la zona afectada. Aquí existen varias opciones: tomar hueso de una zona no afectada del propio paciente, pero esto implica mayor tiempo en la mesa de operaciones y aumenta la morbilidad secundaria, a fin de cuentas estamos “desvistiendo un santo para vestir a otro”.

También se puede implantar tejido de un donante, aunque estaríamos sujetos a rechazo o transmisión de enfermedades; incluso se podría implantar hueso de otro organismo, con las mismas complicaciones antes mencionadas. A pesar de eso, estas opciones continúan siendo el estándar para tratar lesiones en el tejido óseo. Pero, ¿cómo darle un pequeño empujón a nuestros superhéroes? Ahí es donde la ciencia de los biomateriales entra en juego.

Los huesos por dentro

¿De qué está hecho el hueso químicamente? A grosso modo estamos hablando de diez por ciento de agua, 25 por ciento de fase orgánica (colágeno y otras proteínas) y 65 por ciento de fase inorgánica (hidroxiapatita). ¿Qué es eso de la hidroxiapatita? Es un mineral de fosfato de calcio, y el fosfato de calcio es una sal, como lo es el cloruro de sodio que está en nuestras cocinas, por ejemplo, solo que, a diferencia del cloruro de sodio, es más correcto aquí hablar de la familia de los fosfatos de calcio, de las cuales la hidroxiapatita es solo uno de sus miembros.

El colágeno es difícil de extraer y prácticamente imposible de sintetizar, pero los fosfatos de calcio pueden ser sintetizados con relativa facilidad. La primera utilización exitosa de un fosfato de calcio como implante oseo data de la década del 20 del siglo pasado.

En una familia, no todos los miembros tienen iguales características, y así pasa también con los fosfatos de calcio y sus dos miembros más notorios: la hidroxiapatita y el β-fosfato tricálcico. La propiedad fundamental que los distingue es que el último es biodegradable mientras que el primero no. Aquí entra en juego entonces la aplicación específica que se requiera, pues en algunos casos es más aconsejable contar con un material que pueda sustituir el tejido por más larga duración, mientras que otras veces se busca resolver el problema inmediato, propiciando luego que el tejido nativo crezca al mismo ritmo que el sustituto se degrada y le cede el espacio.

Y es que en general los fosfatos de calcio promueven la osteogénesis ( formación de nuevo hueso). Esto ocurre porque se logra “engañar” a las células, que reconocen en ellos (por su similitud química) características similares a la matriz extracelular; en otras palabras, “hueso atrae hueso”. Que estos materiales puedan ser biodegradables tiene también otra ventaja y es que, producto de la descomposición de la sal, se liberan iones calcio y fosfato que participan y potencian la ruta metabólica que conduce a la formación del hueso.

Ya tenemos el contenido, ¿y la forma? Otra característica distintiva del hueso es su porosidad: al ser un tejido en constante dinamismo, es necesario que existan los “canales” para el intercambio de nutrientes con las células.

Existen dos tipos de hueso, el duro o cortical (menos poroso) y el esponjoso o trabecular (más poroso). Otra de las tareas, además de usar fosfatos de calcio por su similitud química, es emular la porosidad de la zona que se va a implantar. Es aceptado por la comunidad científica que para que las células puedan alojarse y crecer en el implante se requieren poros de alrededor de 400 micrómetros, pero además son necesarias dimensiones más pequeñas. Entramos entonces en el micro y nanomundo, con materiales microporosos y nanoestructurados.

Resulta que la osteogénesis no es suficiente para una regeneración efectiva del hueso, esta debe acoplarse con otro proceso conocido como angiogénesis, o formación de nuevos vasos sanguíneos. Estos funcionarán como la vía de intercambio entre el implante (o el hueso) y las células para intercambiar los nutrientes y los desechos. Aquí es importante contar con microporos (menores de 10 micrómetros) para favorecer la absorción de proteínas y otros procesos de intercambio. Se ha demostrado además que las células responden de mejor manera a características estructurales de los materiales que se encuentren en la escala nanométrica: se habla en la literatura de darle “pistas topográficas” a las células.

La porosidad también tiene otro valor añadido. Si queremos ayudar aún más a las células se pueden usar también estos materiales como plataformas para la liberación controlada de diversas sustancias como proteínas, factores de crecimiento o fármacos que llegarán a la zona del implante a través de los poros que tenga el material.

Pero la ciencia tiene otros aportes también. En la ciencia de biomateriales se tiene una ventaja y también un horizonte: sin querer ser categóricos, nadie lo puede hacer mejor que el propio organismo y por eso hay que fijarse en cómo procede. La hidroxiapatita en el hueso de los mamíferos no es pura, se encuentran presentes también trazas de otros elementos como el magnesio y el estroncio, y otros más, que confieren al hueso sus propiedades. Por eso también se busca desde el laboratorio incluir estos y otros elementos en nuestros materiales para lograr un impacto superior a la hora del implante.

A estos efectos se combinan los fosfatos de calcio además con los vidrios bioactivos. Los vidrios son en pocas palabras una mezcla de óxidos metálicos que se obtienen por fusión de sus constituyentes. En la década del 70 del pasado siglo se descubre que en ciertas composiciones estos exhiben también propiedades osteogénicas y angiogénicas, y hoy en día son uno de los materiales más investigados en el campo de la ingeniería de tejido óseo.

Otro elemento importante es la dureza y otras propiedades mecánicas del material. Claro está que en dependencia de la zona del cuerpo de que se trate, estas propiedades varían en el hueso nativo, y así también debemos controlarlas para los implantes sintéticos.

Los fosfatos de calcio se dividen en dos categorías, los de baja temperatura (se consiguen a temperaturas cercanas a la ambiente) y los de alta temperatura (son obtenidos a temperaturas más elevadas); estos últimos entran en el campo de las cerámicas y se alcanzan de igual manera que si estuviéramos creando una vajilla de porcelana: calentando en un horno. Este calentamiento, que en ciencia de materiales se conoce como sinterización, confiere dureza a los productos, pero también los hace frágiles: es imposible doblar un plato en tu cocina pero no querrás que tus padres escuchen que se te cayó uno.

Calentar también induce transiciones y transformaciones químicas en los materiales. El calor dota de energía a los átomos y estos pueden entonces comenzar a moverse de sus posiciones de equilibrio y reaccionar entre sí dando lugar a otros productos. Pero — santa termodinámica — este movimiento de los átomos también los conduce a juntarse, perdiendo así la nanoestructura. Por eso debemos controlar muy bien la temperatura que aplicamos en el laboratorio, pues debemos hacer un balance entre las propiedades mecánicas que busquemos, la nanoestructuración que querramos imprimir y las trasnformaciones químicas que puedan o no ser beneficiosas.

Existen otros parámetros a tener en cuenta, como por ejemplo la forma de presentación. ¿Queremos polvos o bloques ríguidos? ¿Esferas o cementos? ¿Pastas o estructuras más complejas obtenidas por impresión 3D? Actualmente también se habla de inmunomodulación, que es, más allá de conocer, adaptarse y aprovechar el metabolismo y la respuesta inmune del organismo a los implantes, dirigir estos procesos con los propios materiales para llegar a mejor término. Los fosfatos de calcio como material de implante óseo tienen además otras bondades, ofrecen mucho terreno para la sustitución de importaciones y el uso de fuentes renovables. Incluso se han incluido como elemento fundamental para una ingeniería de tejidos “socialmente responsable” y que pueda ser una opción para países en vías de desarrollo.

 

Apafill-G ®, uno de los productos insignia del Centro de Biomateriales, es un granulado cerámico de hidroxiapatita recomendado para cirugía ortopédica y maxilo-facial.

¿Cuba hace esto? Sí, en la Universidad de La Habana existe el Centro de Biomateriales que se acerca a su 30 Aniversario en el mes de octubre y que cuenta con vasta experiencia en la investigación de este y otros temas relacionados con los biomateriales para la salud. Cuentan en su cartera incluso con ocho productos certificados entre los cuales se encuentran dos materiales basados en hidroxiapatita y β-fosfato tricálcico. Y no se queda ahí, actualmente en el centro se investigan materiales de avanzada, y sus investigadores y resultados científicos tienen alto prestigio internacional. No obstante, aún persisten dificultades para cerrar el ciclo y que los materiales den el salto definitivo de las mesetas y las tesis y artículos a las salas de operaciones.

Esto preocupa ya que los datos de Cuba hacia futuro preveen que los factores de riesgo para la salud de nuestros huesos pueden acrecentarse. Como sabemos, el país exhibe una alta tasa de envejecimiento poblacional: se calcula que para el 2045 las personas de 60 años o más serán el 36,3 por ciento de la población total, bastante mayor ese número que el 31,4 por ciento calculado para países desarrollados. En el grupo etáreo de 75 años o más pasa otro tanto (15,2 por ciento contra 13,9 por ciento).

A medida que el organismo envejece los osteoclastos le ganan la partida a los osteoblastos y nuestros huesos se vuelven más débiles y propensos a lesiones. Si a esto adicionamos otras comorbilidades como la diabetes, la situación se complica: está demostrado que la diabetes afecta negativamente la salud de los huesos, por ejemplo personas con diabetes suelen presentar menores índices de densidad ósea y mayor propensión a las fracturas. En el año 2011 se reportaba en Cuba que el 20,3 por ciento de las personas mayores de 75 años padecía diabetes. De acuerdo con el Atlas de la Diabetes, la prevalencia de esta enfermedad debe aumentar en la región de Centro y Sur de las Américas (donde se ubica Cuba) del 8,5 por ciento en 2019 a un 9,9 por ciento en 2045, ligeramente mayor que la tasa mundial de 9,6 por ciento para ese periodo. Actualmente Cuba se encuentra en el puesto 55 a nivel mundial en cuanto a prevalencia de la enfermedad con 9,6 por ciento en 2019, más alta que la región.

Otro elemento a tener en cuenta es el de los accidentes de tráfico: de 2005 a 2018 se reportaron como promedio casi ocho mil lesionados en accidentes de tráfico en el país. Y si bien no se tiene el número exacto de cuántas de estas lesiones resultaron en afectaciones para los huesos, es lógico pensar que si se busca que aumente el poder adquisitivo de los cubanos y además tener un transporte público más poblado, el número de vehículos y, tristemente, con ellos el número de accidentes, debe ir en aumento.

Otros factores de riesgo como los percances laborales y los deportivos contribuyen al aumento de personas que potencialmente puedan necesitar de algún tipo de intervención quirúrgica o terapia regenerativa en sus huesos. Al país le urge estar preparado, pero el conocimiento existe y se está creando y renovando día a día; falta entonces poder encadenarlo en el aparato productivo y en el sistema de atención de salud.

¿Creen que sea factible y necesaria una industria de producción de biomateriales más vigorosa en el país? Esa discusión es amplia y entran otros elementos en juego, pero es una discusión que hay que tener, donde deben participar no solo científicos, sino todos los miembros de nuestro tejido social. Podemos quizá con este texto comenzar a pensar en ello.

 


 

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