Modulation of the inflammatory response using a guided bone regeneration membrane with dual drug delivery capacity

Resumen

El hueso es un tejido complejo y dinámico que cumple varias funciones críticas como la protección de órganos vitales como el cerebro, el corazón y los pulmones; permite el movimiento del cuerpo humano proporcionando sitios de unión para los músculos; y el mantenimiento de la homeostasis iónica. Además, el hueso tiene una notable capacidad regenerativa que permite la curación completa del tejido en caso de que haya habido alguna lesión. Sin embargo, la capacidad regenerativa del hueso puede verse sobrepasada cuando el tamaño del defecto es demasiado grande, lo que ocurre en procedimientos clínicos como la resección tumoral, ciertas fracturas o en situaciones en las que hay osteolisis. Los injertos autólogos, así como los aloinjertos y los xenoinjertos presentan varias limitaciones para su aplicación clínica, entre las que se encuentran la disponibilidad de suficiente cantidad de hueso, la transmisión de enfermedades y los problemas éticos. Por tanto, la ingeniería de tejidos se presenta como una alternativa a estos métodos, combinando biomateriales y moléculas que guíen la regeneración ósea. Avances recientes en biología ósea han demostrado que la osteogénesis se produce debido a la interacción de múltiples sistemas y no solo por las acciones del tejido óseo. En este sentido, el sistema inmune ha ganado una gran importancia, ya que la respuesta inflamatoria causada por el daño tisular o el reconocimiento del biomaterial implantado por parte del sistema inmune pueden influenciar el resultado de la regeneración ósea. Concretamente, se ha descrito que los macrófagos tienen un papel central en la regeneración ósea. Su diferenciación a un fenotipo pro-inflamatorio (M1) puede conducir al desarrollo de inflamación crónica, que afecta negativamente a la regeneración ósea, mientras que su diferenciación a un fenotipo anti-inflamatorio (M2) puede derivar en una mayor integración del biomaterial y en una mejora de la regeneración ósea. Por tanto, el diseño de biomateriales se ha centrado en favorecer la diferenciación de macrófagos hacia el fenotipo M2 con el fin de promover la regeneración ósea. Una de las estrategias para lograrlo ha sido la liberación de moléculas anti-inflamatorias como citocinas, vectores virales o siRNA. Sin embargo, su corta vida media, así como las dudas en cuanto a la eficiencia en la absorción celular y su seguridad a largo plazo de estos sistemas, limitan su aplicación clínica. Los iones han surgido como una alternativa prometedora, ya que son señales estables que están presentes en concentraciones bajas en el cuerpo y ya han mostrado beneficios en la angiogénesis y la regeneración ósea cuando se incorporan dentro de biomateriales. Sin embargo, existen evidencias limitadas que muestran su potencial inmunomodulador. Esta tesis se centra en el desarrollo de un sistema de administración de fármacos dual con la capacidad de liberar iones, así como fármacos pequeños, para promover el fenotipo M2 en macrófagos, modulando así la respuesta inmune. En primer lugar, se realizó una selección inicial de tres iones bioactivos y se determinaron las concentraciones citotóxicas y terapéuticas en macrófagos. Aquellas concentraciones que indujeron la diferenciación de macrófagos hacia el fenotipo M2 se probaron en presencia de diferentes intensidades de un estímulo pro-inflamatorio, lo que permitió determinar el potencial anti-inflamatorio de estos iones. Luego, se trató de determinar si podría haber un efecto sinérgico en la diferenciación de los macrófagos cuando estos iones se combinaran con un fármaco antiinflamatorio, aunque no se observaron diferencias importantes en comparación con el efecto del fármaco solo. Después de estos ensayos, se desarrolló el sistema de administración dual de fármacos, que consistía en una membrana de colágeno con micropartículas cargadas de iones y microesferas cargadas de fármaco. Los resultados mostraron que estas membranas no solo pudieron liberar concentraciones controladas del ión, sino que también pudieron realizar una liberación sostenida del fármaco. Finalmente, se cultivaron macrófagos y células madre mesenquimales (MSC) en contacto con las membranas, y se pudo demostrar que eran capaces de inducir la diferenciación de los macrófagos hacia fenotipo M2 y de promover la osteogénesis. Además, el tratamiento de las MSC con medios condicionados procedentes de macrófagos M2 mejoró aún más la diferenciación osteogénica.