Seus poderes podem não rivalizar com os de Wolverine, mas um implante regenerativo projetado por pesquisadores do Centro Médico da Universidade de Nebraska e da Universidade de Nebraska-Lincoln pode ajudar a reparar danos na profundidade dos ossos após trauma físico, cirurgia ou osteoporose.
A equipe desenvolveu um implante biodegradável à base de nanofibras, ou andaime, cujo design poderia regenerar melhor o osso, guiando com eficácia a migração de células recuperativas para o local da lesão. Quando implantado em ratos com defeitos ósseos, o andaime cilíndrico promoveu a regeneração de um osso mais denso, mais volumoso e mais parecido com o tecido circundante do que o obtido por muitos outros designs de última geração.
O implante estimulou a regeneração, mesmo sem a ajuda de células-tronco de origem externa ou os chamados fatores de crescimento, que ajudam a promover a cura, mas também podem introduzir complicações regulatórias e efeitos colaterais que vão desde a inflamação até a formação de tecido sem controle.
“Até agora, não encontramos nenhum andaime que possa funcionar melhor do que o nosso”, disse Jingwei Xie, professor de cirurgia da UNMC e professor de cortesia de engenharia mecânica e de materiais na Universidade de Nebraska-Lincoln. “A estrutura é a chave.”
Essa estrutura característica deriva de uma inovação recente da engenharia, liderada por Xie, que transformou uma abordagem bidimensional promissora, mas limitada, em uma maravilha 3D.
Antes disso, disse Xie, muitos laboratórios estavam desenvolvendo implantes 2D feitos de nanofibras que eram alinhados para formar poros. Idealmente, pensava-se, as células-tronco da medula óssea se infiltrariam nesses poros e, por fim, formariam tecidos com uma arquitetura semelhante ao osso nativo adjacente. Mas os engenheiros frequentemente lutavam para criar poros grandes ou organizados o suficiente para que as células passassem de forma consistente e, subsequentemente, formassem as gavinhas de tecido que constituem o osso.
Então, inspirado por um conceito de matemática do ensino médio, Xie começou a fabricar andaimes 3D com poros maiores, menos aleatórios e mais navegáveis. O conceito, chamado de sólido de revolução, mostra como qualquer curva 2D – um retângulo, um triângulo, um círculo – pode ser girada em torno de um eixo para formar um sólido matemático. Girar um retângulo forma um cilindro, por exemplo, enquanto um triângulo cria um cone e um círculo cria uma esfera.
A equipe de Xie aplicou o princípio pegando um tapete retangular em escala milimétrica de nanofibras empilhadas, usando o calor para fixar uma extremidade como a lombada de um livro e, em seguida, submergindo o tapete em uma solução que expandiu essas fibras. Eventualmente, a ponta solta se espalhou para formar um cilindro cujas nanofibras e poros associados irradiaram do centro como os raios de uma roda.
Os pesquisadores suspeitaram que o layout radial encorajaria vários tipos de células de todo o local da lesão a migrar em direção ao seu centro, formando redes de tecido no processo. Para testá-lo, eles embutiram os andaimes radiais em pedaços de osso ausente na parte superior do crânio de ratos, avaliando o crescimento após quatro e oito semanas.
Em ambos os pontos de tempo, os andaimes radiais tinham osso regenerado que cobriu substancialmente mais dos locais da lesão do que em um grupo de controle e um grupo implantado com esponjas de colágeno, um implante comumente usado.
“Descobrimos que as nanofibras alinhadas radialmente podem realmente melhorar a regeneração óssea neste cenário, especialmente com o osso craniano”, disse Xie. “Nas primeiras quatro semanas, especialmente, vimos uma diferença significativa. Ele pode começar a promover a regeneração óssea em um prazo muito curto.”
O osso regenerado apresentava mais minerais, como o cálcio, essencial para a formação óssea saudável. Era marcadamente mais denso e espesso, o que significa que poderia ajudar a tratar os sintomas da osteoporose. Ele cresceu em um alinhamento radial muito semelhante ao do andaime, sugerindo que as células estavam, de fato, seguindo os poros. E quando colegas europeus fizeram simulações de estresse mecânico com base no crescimento resultante, o perfil do osso regenerado era paralelo ao do osso craniano saudável, sugerindo que o primeiro poderia suportar forças compressivas tão bem quanto o segundo.
Além de tudo isso, as células da medula óssea que foram cultivadas na estrutura da equipe ostentavam níveis naturalmente mais elevados de vários fatores de crescimento, incluindo proteína morfogenética óssea 2, ou BMP-2 – uma forma da qual tem sido usada em combinação com esponjas de colágeno para estimular crescimento ósseo. Outras abordagens regenerativas emergentes – andaimes impressos em 3D, aerogéis, hidrogéis injetáveis – muitas vezes também incorporam BMP-2 de origem externa. Mesmo assim, aqueles testados em ratos não conseguiram estimular o crescimento tão bem quanto o projeto da equipe de Nebraska, disse Xie.
A promessa de um implante biodegradável que pode estimular esse crescimento por conta própria, sem quaisquer agentes biológicos externos, poderia suavizar seu caminho para eventualmente ganhar a aprovação da Food and Drug Administration dos EUA, disse ele. Também trabalhando a seu favor: A equipe fabricou o implante a partir de um poliéster já amplamente utilizado em dispositivos biomédicos homologados pelo FDA.
Se eventualmente se traduzir em um ambiente clínico, o implante pode ser uma alternativa atraente para abordagens mais tradicionais, disse Xie. Isso inclui aloenxertos, que consistem na implantação de fragmentos ósseos de doadores, e autoenxertos, que envolvem a coleta de um segmento de osso do próprio corpo e o transplante para o local da lesão. Este último requer várias cirurgias e, entre outros problemas, pode reduzir a funcionalidade de qualquer osso colhido.
O experimento recente da equipe pode prever a primeira aplicação direta do implante, disse Xie.
“Eventualmente, a ideia é (que) talvez possamos gerar um produto que seja basicamente o andaime do cilindro, focando principalmente em aplicações de neurocirurgia”, disse ele. “Porque em muitas neurocirurgias, eles precisam fazer um orifício no crânio antes de realizar a cirurgia. E depois, eles precisam consertar esse orifício.”
Para ajudar a levar seu projeto da bancada para a cabeceira da cama, Xie e seus colegas estão agora treinando seus olhos em ensaios com animais grandes e experimentos envolvendo os ossos longos apropriadamente nomeados – o fêmur, a clavícula e assim por diante. E eles estão procurando refinar ainda mais o que já o diferencia.
“Ainda estamos tentando otimizar a estrutura”, disse Xie. “No momento, pode melhorar a regeneração óssea, mas acho que ainda podemos melhorá-lo de certas maneiras.”
Os pesquisadores recentemente detalharam suas descobertas na revista Science Advances.
Publicado em 05/08/2021 00h24
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