Por primera vez, los discos intervertebrales de bioingeniería se implantaron con éxito y proporcionaron una función a largo plazo en el modelo animal más grande jamás utilizado en esta dirección.
Un nuevo estudio de Penn Medicine publicado en Science Translational Medicine muestra una fuerte evidencia de que las células de pacientes que sufren de dolor de cuello y espalda pueden usarse para diseñar un nuevo disco intervertebral en un laboratorio para reemplazar uno dañado. El estudio, realizado en cabras, fue realizado por un equipo interdisciplinario del Departamento de Medicina, la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas y la Facultad de Medicina Veterinaria de la Universidad de Pensilvania.
Se necesitan tejidos blandos en la columna vertebral, discos intervertebrales, en movimientos como girar la cabeza o atar cordones de los zapatos. Pero aproximadamente la mitad de la población adulta en los Estados Unidos sufre de dolor de espalda o cuello, y el tratamiento y el cuidado de ellos supone una grave carga económica para la sociedad: alrededor de $ 195 mil millones al año. Si bien la destrucción del disco intervertebral a menudo se asocia con este dolor, las causas principales de su destrucción siguen siendo menos conocidas. Los enfoques modernos, incluida la cirugía de columna vertebral y los implantes de reemplazo mecánico, brindan tratamiento sintomático, pero no restauran la estructura, la función y el rango de movimiento del disco nativo, y a menudo tienen una eficacia limitada. Por lo tanto, hay una solicitud de nuevos tratamientos.
La ingeniería de tejidos es muy prometedora. Implica combinar las propias células madre de un paciente o animal con andamios de biomateriales en un laboratorio para construir una estructura compleja que luego se implanta en la columna vertebral como un disco de reemplazo. En los últimos 15 años, el equipo de investigación de Penn ha desarrollado un disco de bioingeniería utilizando ingeniería de tejidos, pasando de la investigación básica in vitro a modelos de animales pequeños y modelos de animales más grandes, centrándose en ensayos en humanos.
“Este es un paso importante: hacer crecer un disco tan grande en el laboratorio, colocarlo en el espacio del disco y luego hacer que se integre con el tejido nativo circundante. Esto es muy prometedor ”, dijo Robert L. Mock, profesor de educación e investigación en cirugía ortopédica en la Facultad de Medicina Perelman en Penn, así como investigador en el Centro Médico Corporal Michael Crescenz VA (CMC VAMC) en Filadelfia y autor principal de la publicación. "Las terapias actuales en realidad no reparan el disco, por lo que esperamos que con este implante desarrollado lo reemplacemos con una forma biológica y funcional y restauremos el rango completo de movimiento".
Investigaciones anteriores realizadas por el equipo han demostrado con éxito la integración de sus discos de bioingeniería, conocidos como estructuras de capa angular en forma de disco (DAPS), en colas de ratas durante cinco semanas. Este último estudio extendió este período en ratas a 20 semanas, pero con discos actualizados conocidos como DAPS o eDAPS modificados en placa terminal para imitar la estructura del segmento espinal nativo. La adición de placas finales ayudó a preservar la estructura de ingeniería y facilitar su integración en el tejido nativo.
La resonancia magnética, junto con el análisis histológico, mecánico y bioquímico, mostró que eDAPS restauró la estructura del disco nativo, la biología y la función mecánica en el modelo de rata. Sobre la base de este éxito, los investigadores implantaron eDAPS en la columna cervical de las cabras. Eligieron una cabra porque las dimensiones de su disco cervical-espinal son similares a las humanas, y las cabras tienen una figura semi-de pie.
Los investigadores han demostrado un reemplazo completo exitoso del disco en la cabra cervical. Después de un mes, la distribución de la matriz se mantuvo o mejoró como parte del eDAPS. Los resultados de la resonancia magnética también sugieren que la composición del disco se mantuvo o mejoró después de ocho semanas, y que las propiedades mecánicas correspondieron o excedieron a las del disco de cabra nativo.
"Creo que es genial que hayamos pasado de una cola de rata a implantes de tamaño humano", dijo Harvey E. Smith, MD, profesor asistente de cirugía ortopédica y neurocirugía en la Facultad de Medicina Perelman. y cirujano a tiempo completo en CMC VAMC, así como investigador senior y supervisor de investigación clínica. "Cuando observa el éxito en la literatura sobre dispositivos mecánicos, creo que hay una muy buena razón para el optimismo, que podemos lograr el mismo éxito si no lo superamos con discos de bioingeniería".
El equipo de investigación asocia el éxito de este trabajo con el enfoque multidisciplinario y traslacional que utilizaron desde el principio en Penn, donde viven muchos expertos de varios departamentos y escuelas que participaron en este proyecto.
“Utilizamos todas las diferentes direcciones que Penn tiene bajo su techo, desde la investigación básica hasta los médicos. Tenemos una red increíble que se puede utilizar para esta y otras investigaciones ", dijo el autor del estudio Thomas P. Schaer, director de VMD, director de investigación ortopédica traslacional y estudios preclínicos en la Facultad de Medicina Veterinaria de la Universidad de New Bolton, Pennsylvania Centro "No todas las instituciones académicas tienen un ecosistema tan conjunto que fue una gran ventaja para nosotros cuando comenzamos este estudio y luego lo apoyamos con el tiempo".
El equipo también incluye a la primera autora, Sarah Gulbrand, investigadora del Departamento de Cirugía Ortopédica Penn Medicine y el Centro de Investigación Translacional Musculoesquelética del Centro Médico Corporal Michael Crescenz VA, Lachlan Smith, miembro del Departamento de Neurocirugía y Cirugía Ortopédica en Penn y Dawn M. Elliott, un ex investigador Penna, actualmente jefe del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de Delaware.
El siguiente paso será realizar pruebas a largo plazo de la función eDAPS en el modelo de cabra, dijeron los autores, así como modelar la destrucción de los discos intervertebrales en humanos y probar cómo funcionan sus discos de bioingeniería en este contexto.
"Es aconsejable implantar tejidos biológicos formados por sus propias células", dijo Smith. “El uso de un implante de reemplazo de tejido real en endoprótesis; todavía no lo hemos hecho en ortopedia. Creo que este será un cambio de paradigma en la forma en que tratamos las enfermedades de la columna y en la forma en que reconstruimos las articulaciones ".