Un biorreactor inteligente para crear modelos avanzados de tejido osteocondral
Las lesiones osteocondrales afectan al cartílago y al hueso subyacente y son difíciles de reparar debido a las diferencias estructurales, mecánicas y biológicas entre ambos tejidos. En este contexto, las enfermedades degenerativas como la artrosis representan una carga cada vez mayor, pero las opciones terapéuticas convencionales siguen siendo limitadas. En el ámbito de la ingeniería de tejidos, uno de los principales retos para producir y estudiar sustitutos funcionales consiste en reproducir las complejas condiciones físicas que determinan el desarrollo de los tejidos dentro de la articulación.
Recreación del entorno osteocondral
En el proyecto SYNERGIES, respaldado por las acciones Marie Skłodowska-Curie(se abrirá en una nueva ventana), se abordó esta limitación mediante el desarrollo de una plataforma de investigación avanzada que reproduce las características estructurales y biofísicas básicas del entorno del tejido osteocondral. Para ello, los investigadores combinaron andamios bicapa(se abrirá en una nueva ventana) impresos en tres dimensiones con estimulación física controlada y específica para cada tejido, aplicada mediante un biorreactor biomimético diseñado específicamente para este fin. En lugar de tratar el tejido osteocondral como una estructura uniforme, la plataforma separa las regiones ósea y cartilaginosa en dos compartimentos, de modo que cada uno recibe los medios de diferenciación y los estímulos físicos adecuados. «Con SYNERGIES dejamos atrás los modelos estáticos simplificados y estudiamos cómo responden los tejidos osteocondrales en desarrollo a condiciones más próximas a las fisiológicas», explica Joao Silva, beneficiario de la beca Marie Skłodowska-Curie.
Optimización de la estimulación mediante modelización e inteligencia artificial
La plataforma se complementó con modelos multifísicos para caracterizar diversos parámetros en la cámara de cultivo y las estructuras, como el flujo de fluidos, el esfuerzo cortante, la presión, la deformación y los campos electromagnéticos(se abrirá en una nueva ventana). De este modo, los investigadores pudieron determinar cómo se comportan los parámetros de estimulación en el interior del biorreactor y estudiar su influencia en las células. La arquitectura de control incorporó técnicas de aprendizaje automático para combinar los resultados de los modelos con los datos experimentales y optimizar las condiciones de funcionamiento. La plataforma resultante se validó mediante experimentos de cultivo celular «in vitro», que sirvieron para perfeccionar progresivamente los protocolos de ingeniería de tejidos osteocondrales. El biorreactor modular se fabricó utilizando materiales biocompatibles y autoclavables, con una arquitectura fácil de usar diseñada para facilitar el cumplimiento futuro de los requisitos de buenas prácticas de laboratorio y de fabricación.
Desarrollo de mejores modelos para la investigación de enfermedades y fármacos
Más allá de la regeneración de tejidos, la plataforma SYNERGIES abre la vía al desarrollo de modelos humanos tridimensionales que reproduzcan mejor las condiciones fisiológicas y contribuyan al estudio de la biología y las enfermedades osteocondrales. Gracias a la combinación de células humanas, estructuras de soporte biomiméticas y estimulación física controlada, los investigadores pueden crear modelos reproducibles de tejidos sanos y enfermos, entre ellos modelos de artrosis. Además, la plataforma podría contribuir al desarrollo de fármacos al detectar en fases más tempranas los candidatos ineficaces o potencialmente perjudiciales y reducir así el número de compuestos que llegan a los ensayos con animales. «El valor de estos modelos va más allá de la regeneración de tejidos. «Al reproducir la interacción entre el hueso y el cartílago en un entorno controlado similar al natural, podemos estudiar los mecanismos de la enfermedad y evaluar posibles tratamientos en condiciones más próximas a las de la articulación humana», destaca Diana Massai, supervisora del proyecto SYNERGIES. A largo plazo, el objetivo es desarrollar la plataforma hasta obtener una tecnología robusta y escalable. Para ello, será necesario validar su rendimiento con el tiempo y probarla con células derivadas de pacientes, además de normalizar los protocolos de cultivo y abordar aspectos relacionados con la seguridad, la regulación y los costes. También será fundamental proteger la propiedad intelectual y colaborar con socios clínicos e industriales.
