Strategies for Guidance and Electrical and Biological Stimulation in a Neural Regeneration Device

Abstract

[ES] Actualmente las lesiones del sistema nervioso periférico que conllevan una pérdida de continuidad de los haces axonales suelen implicar secuelas de tipo permanente. Es cierto que en el sistema nervioso periférico existe una cierta regeneración natural de los tractos axonales dañados, pero solamente cuando el espacio entre ambos extremos de la lesión es pequeño, como máximo de 5 mm. Si el espacio es mayor que esta distancia la regeneración no sucede de forma natural y se crea un neuroma traumático. Por tanto, estas lesiones largas requieren de una intervención quirúrgica para puentear la lesión, normalmente con un nervio autógrafo del propio paciente o un nervio alógrafo de un cadáver. No obstante, su uso presenta diversos inconvenientes, como la morbilidad del sitio donante donde puede ocurrir un neuroma, la necesidad de realizar una segunda cirugía, la diferencia de tamaño entre nervio receptor y donante o la necesidad de inmunosupresión en el caso de los nervios alógrafos. Por ello, la ingeniería de tejidos trabaja en el desarrollo de los conductos de guiado nervioso que incorporan estrategias para guiar topográficamente la regeneración, así como células y moléculas bioactivas.

La presente tesis doctoral presenta un nuevo conducto de guiado nervioso con una aproximación multimodular para su aplicación en la regeneración de lesiones nerviosas largas (a partir de 15 mm) que hace uso de conductos tubulares huecos modulares de ácido hialurónico (HA) que contienen en su interior una estructura tubular de microfibras de ácido poliláctico (PLA). La estructura fibrilar aporta un guiado topográfico necesario para guiar el crecimiento axonal durante la regeneración a la vez que mantiene unidos los diferentes módulos de HA. Por su parte, los conductos de HA son un hidrogel que evita adherencias con el tejido circundante. A su vez, proporcionan un soporte sobre el que pueden crecer células presembradas. En concreto se ha optado por presembrar células de Schwann, las cuales son unas células gliales de soporte críticas para la regeneración del sistema nervioso periférico. Se ha observado que dichas células son capaces recubrir por completo las paredes internas de los conductos de HA formando una estructura tipo vaina, así como de recubrir las microfibras de PLA creciendo en dirección longitudinal. Los experimentos in vivo en modelo de nervio ciático de conejo han mostrado que la aproximación multimodular mejora significativamente la regeneración nerviosa gracias a proporcionar una mejor neovascularización. A su vez, gracias a las células de Schwann presembradas se ha logrado una mejora adicional de la regeneración nerviosa gracias a su efecto favorecedor del crecimiento axonal.

Además, se han estudiado diferentes mejoras aplicables al conducto de guiado nervioso con el objetivo de mejorar los resultados obtenidos in vivo. Gracias a la incorporación de fibroína de seda a los conductos de HA se ha logrado mejorar sus propiedades mecánicas y biológicas. Asimismo, también se ha desarrollado un sustrato electroconductor de microfibras de PLA recubiertas con el polímero electroconductor Polipirrol gracias al cual se ha observado in vitro que es capaz de mejorar el crecimiento axonal al aplicar una estimulación eléctrica. Además, mediante un sistema de modificación génica de las células de Schwann por electrotransfección se ha logrado aumentar su secreción del factor neurotrófico derivado del cerebro (BDNF), gracias a lo cual se ha observado que se incrementa la velocidad de crecimiento axonal in vitro.

[CA] Actualment les lesions del sistema nerviós perifèric que comporten una pèrdua de continuïtat dels feixos axonals solen implicar seqüeles de tipus permanent. És cert que al sistema nerviós perifèric hi ha una certa regeneració natural dels tractes axonals danyats, però només quan l'espai entre ambdós extrems de la lesió és petit, com a màxim de 5 mm. Si l'espai és més gran que aquesta distància la regeneració no succeeix de manera natural i es crea un neuroma traumàtic. Per tant, aquestes lesions llargues requereixen una intervenció quirúrgica per pontejar la lesió, normalment amb un nervi autògraf del pacient o un nervi al·lògraf d'un cadàver. No obstant això, el seu ús presenta diversos inconvenients, com la morbilitat del lloc donant on pot ocórrer un neuroma, la necessitat de fer una segona cirurgia, la diferència de mida entre nervi receptor i donant o la necessitat d'immunosupressió en el cas dels nervis al·lògrafs . Per això, l'enginyeria de teixits treballa en el desenvolupament dels conductes de guiatge nerviós que incorporen estratègies per guiar topogràficament la regeneració, així com cèl·lules i molècules bioactives.

Aquesta tesi doctoral presenta un nou conducte de guiatge nerviós amb una aproximació multimodular per a la seva aplicació en la regeneració de lesions nervioses llargues (a partir de 15 mm) que fa ús de conductes tubulars buits modulars d'àcid hialurònic (HA) que contenen al seu interior una estructura tubular de microfibres d'àcid polilàctic (PLA). L'estructura fibril·lar aporta un guiatge topogràfic necessari per guiar el creixement axonal durant la regeneració alhora que manté units els diferents mòduls d'HA. Per part seva, els conductes d'HA són un hidrogel que evita adherències amb el teixit circumdant. Alhora, proporcionen un suport sobre el qual poden créixer cèl·lules presembrades. En concret s'ha optat per presembrar cèl·lules de Schwann, les quals són unes cèl·lules glials de suport crítiques per a la regeneració del sistema nerviós perifèric. S'ha observat que aquestes cèl·lules són capaces de recobrir completament les parets internes dels conductes d'HA formant una estructura tipus beina, així com de recobrir les microfibres de PLA creixent en direcció longitudinal. Els experiments in vivo en model de nervi ciàtic de conill han mostrat que l'aproximació multimodular millora significativament la regeneració nerviosa gràcies a proporcionar una millor neovascularització. Alhora, gràcies a les cèl·lules de Schwann presembrades s'ha aconseguit una millora addicional de la regeneració nerviosa gràcies al seu efecte afavoridor del creixement axonal.

A més, s'han estudiat diferents millores aplicables al conducte de guiatge nerviós per tal de millorar els resultats obtinguts in vivo. Gràcies a la incorporació de fibroïna de seda als conductes d'HA s'ha aconseguit millorar les seues propietats mecàniques i biològiques. També s'ha desenvolupat un substrat electroconductor de microfibres de PLA recobertes amb el polímer electroconductor Polipirrol gràcies al qual s'ha observat in vitro que és capaç de millorar el creixement axonal quan s'aplica una estimulació elèctrica. A més, mitjançant un sistema de modificació gènica de les cèl·lules de Schwann per electrotransfecció s'ha aconseguit augmentar la secreció del factor neurotròfic derivat del cervell (BDNF), gràcies a la qual cosa s'ha observat que s'incrementa la velocitat de creixement axonal in vitro.

[EN] Currently, lesions of the peripheral nervous system that lead to a loss of continuity of the axonal bundles usually involve permanent sequelae. It is true that in the peripheral nervous system there is some natural regeneration of damaged axonal tracts, but only when the space between the two ends of the lesion is small, at most 5 mm. If the gap is greater than this distance, regeneration does not occur naturally, and a traumatic neuroma is created. Therefore, these long injuries require surgical intervention to bridge the injury, usually with an autograph nerve from the patient or an allograph nerve from a cadaver. However, its use has various drawbacks, such as the morbidity of the donor site where a neuroma can occur, the need to perform a second surgery, the difference in size between the recipient and donor nerves, or the need for immunosuppression in the case of allograft nerves. For this reason, tissue engineering works on the development of nerve guidance conduits that incorporate strategies to topographically guide the regeneration, as well as cells and bioactive molecules.

This doctoral thesis presents a new nerve guidance conduit with a multimodular approach for its application in the regeneration of long nerve lesions (from 15 mm) that makes use of modular hollow tubular conduits of hyaluronic acid (HA) that contain in their inside a tubular structure of microfibers of polylactic acid (PLA). The fibrillar structure provides the necessary topographic guidance to guide axonal growth during regeneration while keeping the different HA modules together. For their part, the HA conduits are a hydrogel that prevents adhesions with the surrounding tissue. In turn, they provide a support on which preseeded cells can grow. Specifically, it has been decided to pre-seed Schwann cells, which are glial support cells that are critical for the regeneration of the peripheral nervous system. It has been observed that these cells are capable of completely covering the inner walls of the HA conduits, forming a sheath-like structure, as well as covering the PLA microfibers by growing in a longitudinal direction. In vivo experiments in a rabbit sciatic nerve model have shown that the multimodular approach significantly improves nerve regeneration by providing better neovascularization. In turn, thanks to the pre-seeded Schwann cells, an additional improvement in nerve regeneration has been achieved thanks to its promoting effect on axonal growth.

In addition, different improvements applicable to the nerve guidance conduit have been studied with the aim of improving the results obtained in vivo. Thanks to the incorporation of silk fibroin into HA conduits, their mechanical and biological properties have been improved. Likewise, an electroconductive substrate of PLA microfibers coated with the electroconductive polymer Polypyrrole has also been developed, thanks to which it has been observed in vitro that it is capable of improving axonal growth by applying electrical stimulation. In addition, by means of a gene modification system of Schwann cells by electrotransfection, it has been possible to increase their secretion of brain-derived neurotrophic factor (BDNF), thanks to which it has been observed that the speed of axonal growth is increased in vitro.