Hidrogeles biodegradables para la regeneración de cartílago articular

Abstract

[CA] El cartílag articular és un teixit connectiu molt especialitzat present a les articulacions, que actua com amortidor suportant enormes carregues y proporcionant una superfície de lliscament de baixa fricció. Les patologies del cartílag articular suposen la pèrdua de l’estructura i de la funció del teixit i són una de les principals causes de discapacitat en persones grans. Es tracta d’un teixit avascular que presenta una capacitat d’autoreparació limitada. S’han desenvolupat nombrosos procediments per tractar de pal·liar temporalment el dolor articular, però aquests presenten moltes limitacions i condueixen a la degeneració del teixit a llarg termini. Noves estratègies terapèutiques basades en la enginyeria tissular fan servir el conreu de cèl·lules sobre matrius tridimensionals per desenvolupar substituts biològics capaços de restaurar, mantenir o millorar les funcions del teixit. En aquest treball s’han obtingut hidrogels biodegradables injectables d’àcid hialurònic (HA) injectat amb tiramina (Tyr) mitjançant entrecreuament enzimàtic amb peroxidasa (HRP) i peròxid d’hidrogen (H2O2). Els hidrogels són estructures tridimensionals formades per polímers reticulats, capaços d’absorbir gran quantitat d’aigua i de proporcionar un microambient aquós molt similar al de la matriu extracel·lular. Són porosos, per la qual cosa permeten el pas de nutrients i de productes de deixalla, necessaris per a la supervivència cel·lular. A més, tenen que ser biodegradables per poder ser substituïts per la matriu extracel·lular una vegada s’haja regenerat el teixit. L’HA és un glicosaminoglicà molt abundant en la matriu extracel·lular del cartílag que presenta unes funcions biològiques interesants. A partir d’HA d’alt pes molecular s’ha obtingut HA de menor pes molecular per tractar de disminuir la seua viscositat en dissolució i així facilitar el maneig, l’esterilització i el conreu cel·lular. S’han dut a terme assajos d’inflat, morfologia i conreus in vitro per avaluar la citotoxicitat de los hidrogels d’HA degradat a l’1 i al 2% (w/v) i d’HA d’alt pes molecular a l’1%. Tots els hidrogels presenten una estructura microscòpica de porus interconnectats. A major pes molecular i major concentració d’HA presenten un major grau de reticulació, i a major pes molecular una major capacitat per retenir aigua. S’ha comprovat que els hidrogels no són citotòxics i que se mantenen la viabilitat cel·lular fins a 14 dies en conreu in vitro.

[EN] The articular cartilage is a highly specialized connective tissue present in the joints, which acts as shock-absorbing in order to carry enormous loads, providing a sliding surface with low friction. The articular cartilage pathologies include the loss of structure and function of the tissue and so they are one of the leading causes of disability in the elderly. It is an avascular tissue which has a limited ability to self-repair. Numerous methods have been developed to try to temporarily alleviate the joint pain, but they have many limitations and lead to tissue degeneration over time. New therapeutic strategies based on tissue engineering use the cell culture on three-dimensional matrices to develop biological substitutes that can restore, maintain or improve tissue functions. In this project, injectable and biodegradable hydrogels of hyaluronic acid (HA) grafted with tyramine (Tyr) have been obtained by enzymatic crosslinking with peroxidase (HRP) and hydrogen peroxide (H2O2). Hydrogels are three-dimensional structures composed of cross-linked polymers capable of absorbing large amounts of water and provide an aqueous microenvironment similar to that of the extracellular matrix. They are porous, so they allow the passage of nutrients and waste products required for cell survival. Moreover, they must also be biodegradable in order to be replaced with the extracellular matrix once the tissue has been regenerated. HA is an abundant glycosaminoglycan in the extracellular matrix of the cartilage, having interesting biological functions. From high molecular weight HA, lower molecular weight HA has been obtained, in order to try to decrease the solution viscosity, thereby facilitating the handling, sterilization and cell culture. Assays of swelling, morphology and in vitro cultures have been carried out to assess cytotoxicity of HA hydrogels degraded at 1 and 2% (w / v) and high molecular weight HA at 1%. All hydrogels have a microscopic structure of interconnected pores. Higher molecular weight and higher concentration of HA show a higher degree of crosslinking and water holding capacity. It has been shown that hydrogels are non-cytotoxic and cell viability was maintained up to 14 days in vitro culture.

[ES] El cartílago articular es un tejido conectivo muy especializado presente en las articulaciones, que actúa como amortiguador soportando enormes cargas y proporcionando una superficie de deslizamiento de baja fricción. Las patologías del cartílago articular suponen la pérdida de la estructura y de la función del tejido y son una de las principales causas de discapacidad en personas mayores. Se trata de un tejido avascular que presenta una capacidad de autoreparación limitada. Se han desarrollado numerosos procedimientos para tratar de paliar temporalmente el dolor articular, pero éstos presentan muchas limitaciones y conducen a la degeneración del tejido a largo plazo. Nuevas estrategias terapéuticas basadas en la ingeniería tisular emplean el cultivo de células sobre matrices tridimensionales para desarrollar sustitutos biológicos capaces de restaurar, mantener o mejorar las funciones del tejido. En este trabajo se han obtenido hidrogeles biodegradables inyectables de ácido hialurónico (HA) injertado con tiramina (Tyr) mediante entrecruzamiento enzimático con peroxidasa (HRP) y peróxido de hidrógeno (H2O2). Los hidrogeles son estructuras tridimensionales formados por polímeros reticulados, capaces de absorber gran cantidad de agua y de proporcionar un microambiente acuoso muy similar al de la matriz extracelular. Son porosos, por lo que permiten el paso de nutrientes y de productos de desecho, necesarios para la supervivencia celular. Además tienen que ser biodegradables para poder ser sustituidos por la matriz extracelular una vez se haya regenerado el tejido. El HA es un glicosaminoglicano muy abundante en la matriz extracelular del cartílago que presenta unas funciones biológicas interesantes. A partir de HA de alto peso molecular se ha obtenido HA de menor peso molecular para tratar de disminuir su viscosidad en disolución y así facilitar el manejo, la esterilización y el cultivo celular. Se han llevado a cabo ensayos de hinchado, morfología y cultivos in vitro para evaluar la citotoxicidad de los hidrogeles de HA degradado al 1 y al 2% (w/v) y de HA de alto peso molecular al 1%. Todos los hidrogeles presentan una estructura microscópica de poros interconectados. A mayor peso molecular y mayor concentración de HA presentan un mayor grado de reticulación, y a mayor peso molecular una mayor capacidad para retener agua. Se ha comprobado que los hidrogeles no son citotóxicos y que se mantiene la viabilidad celular hasta 14 días en cultivo in vitro.