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Estimulación eléctrica regeneraría lesiones de cartílago producidas por artritis

Fotos: Luis Palacios – Unimedios.

 

Según la Fundación Internacional de la Artrosis (OAFI, por sus siglas en inglés), en los últimos 30 años los casos de artrosis (enfermedad crónica que afecta las articulaciones) se han duplicado hasta alcanzar los 300 millones de afectados en el mundo –3 millones en Colombia–, y se prevé que en 2020 será la cuarta causa de discapacidad.

La artrosis consiste en el desgaste natural del cartílago, el cual amortigua el peso y permite el movimiento de las articulaciones, como la cadera, las rodillas, los hombros, las manos, los tobillos o la columna vertebral. Tal deterioro se puede presentar a cualquier edad, pero se estima que el 50 % de las personas mayores de 60 años la padecen, al igual que el 80 % de las personas entre los 75 y 80 años.

A consecuencia de los dolores físicos que provoca, dicha enfermedad es considerada como un problema de salud pública, pues afecta la movilidad de las personas limitándolas de cualquier actividad productiva, lo cual resiente la economía familiar, y por ende la calidad de vida.

Juan Jairo Vaca, doctor en Ingeniería - Ciencia y Tecnología de los Materiales de la UN y en Tecnologías para la Salud y el Bienestar, de la Universidad de Valencia (España), explica que la parte del cuerpo que se desgasta es conocida como “cartílago articular hialino”, que conecta unos huesos con otros en una articulación.

Dicho cartílago no tiene irrigación sanguínea propia (avascular) y está formado por condrocitos, células que protegen los huesos de las articulaciones de las fuerzas asociadas con la carga y el impacto, y permiten el movimiento casi sin fricción entre las superficies articulares.

El condrocito es responsable de producir las dos principales moléculas del tejido cartilaginoso:

  • colágeno, la proteína más abundante del cuerpo, encargada de formar fibras, y
  • proteoglicanos, moléculas de gran dimensión (macromoléculas) que proporcionan elasticidad y resistencia al cartílago para soportar cargas mecánicas de compresión.

El investigador señala que “por estar expuesto a una combinación de cargas mecánicas, la falta de irrigación de sangre y la baja densidad celular del cartílago hialino son factores que limitan la autocuración del tejido”. Una forma de frenar medidas extremas –como el uso de prótesis– es el autoinjerto de condrocitos sobre la zona lesionada. Sin embargo, aunque es un tratamiento efectivo en el corto plazo, “las intervenciones quirúrgicas generan un tejido poco resistente y sin las características propias del cartílago ‘original’, por ejemplo”, indica.

Entre las opciones terapéuticas que está implementando la ingeniería de tejidos se encuentra el desarrollo de “tejidos biomiméticos”, que reemplazan las características biológicas, estructurales y funcionales del cartílago. Hacia ese horizonte de innovación se dirigió el trabajo realizado por el doctor Vaca, que promete convertirse una opción de tratamiento eficaz contra la artritis.

Probando células madre

El investigador menciona que los tejidos biomiméticos se generan utilizando una combinación de factores celulares, bioquímicos, relacionados con su composición molecular, y biofísicos, como el movimiento.

Uno de los estímulos biofísicos utilizados hoy son los campos eléctricos, “terapia alternativa usada en Estados Unidos, Europa y Asia para aliviar el dolor en las articulaciones que ha demostrado un efecto positivo en diferentes funciones celulares como la forma, el desarrollo y la migración celular hacia los tejidos”, afirma el experto, quien evaluó el efecto de esta terapia –poco abordada en Colombia– en el cartílago hialino.

En su estudio también analizó las posibles implicaciones de la estimulación eléctrica en las respuestas biológicas de los condrocitos mediante un enfoque computacional y experimental.

Tras el trabajo en laboratorio, los resultados experimentales mostraron que los campos eléctricos inducían la multiplicación de condrocitos y la producción de moléculas “glicosaminoglicanos” (cadenas largas de carbohidratos que están cargadas negativamente para atraer moléculas de agua en la matriz del tejido cartilaginoso) para regenerar el cartílago en un entorno de dos dimensiones, o cultivos monocapa.

Además evidenció que los campos eléctricos favorecen la capacidad de las células madre mesenquimales (células adultas que pueden dar lugar a varios tipos de células de los tejidos esqueléticos) para convertirse en condrocitos, aumentando la producción tanto de las macromoléculas, que proporcionan elasticidad y resistencia al cartílago, como de las proteínas que están dentro de la célula y que a su vez forman otras proteínas implicadas en la formación de los cartílagos, conocidas como “factores de transcripción”.

Tres escenarios alternativos

La respuesta de la estimulación eléctrica se evaluó en tres escenarios: cultivos de condrocitos en dos dimensiones, tejidos de cartílago hialino, e hidrogeles (una red de cadenas poliméricas) como soporte 3D.

En el primer escenario, en cultivos de dos dimensiones, los campos eléctricos se aplicaron en condrocitos primarios extraídos directamente del tejido del cartílago de roedores. Aquí se analizó el desarrollo y la muerte celular, y la producción de proteoglicanos, que no solo establecen un puente de comunicación entre los condrocitos y su matriz extracelular, sino que también permiten que las células se adhieran al entorno que las rodea.

En el segundo escenario, la estimulación eléctrica se aplicó sobre los explantes de cartílago hialino (un tejido vivo que se retira de su entorno natural y se transfiere a un medio artificial de crecimiento) de fémures y húmeros de roedores. Aquí se midieron los diversos componentes que integran la placa de crecimiento y sus zonas.

Para el tercer escenario se evaluó el efecto de los campos eléctricos en el proceso de formación del cartílago en células madre mesenquimales cultivadas dentro hidrogeles de ácido hialurónico (gelatina). Estas células pueden generar varios tipos de células que conforman tejidos del cuerpo humano como cartílago, hueso y tejido adiposo.

El investigador relata que en el último escenario se analizó la capacidad reproductiva de las células y la producción de diferentes proteínas. Además, “como complemento se desarrolló un modelo computacional para observar cómo cargar mecánicas oscilatorias y gradientes moleculares como la proteína relacionada con la hormona paratiroidea (PTHrP), que regulan el crecimiento óseo y cartilaginoso en etapas prenatales”.

El doctor Vaca señala que este proyecto constituye el primer intento de aplicar campos eléctricos en los tres escenarios biológicos que se utilizan hoy para restaurar el cartílago hialino: “los hallazgos derivados de este trabajo pueden ayudar a comprender cómo los estímulos eléctricos inducen cambios morfológicos en los condrocitos y en las células madre mesenquimales”.

Y agrega que estas conclusiones también permitirían verificar la influencia de los campos eléctricos en los eventos moleculares que tienen lugar tanto en el cartílago hialino como en los constructos 3D.

Por su parte el profesor Diego Alexander Garzón, del Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la UN y director de esta investigación, destaca que lo que se busca es identificar los rangos de aplicación de los campos eléctricos y sus efectos, para que a futuro se puedan aplicar en personas con lesiones.

El aporte del investigador Vaca se suma a los resultados del trabajo que desde hace más de una década viene realizando el grupo de investigación Ingeniería de Tejidos de la Facultad de Ciencias de la UN, el cual también ha trabajado con colágeno bovino tipos I y II para elaborar soportes de tejidos que ayudarían en el tratamiento de heridas de piel, hueso, cartílago, meniscos y hueso periférico.

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