En busca de biomateriales que se asemejen al tejido cerebral

Firma invitada

Irati Diez Virto

Los biomateriales son substancias creadas para mantenerse en contacto con tejidos o fluidos biológicos. Uno de los biomateriales más habituales y conocidos son los empastes dentales. Sin embargo, el uso de estos materiales va más allá y su campo se amplía al desarrollo de implantes que, por ejemplo, sustituyan articulaciones, reparen órganos o imiten un conjunto de propiedades físicas de órganos como el cerebro. Enfrentarse al diseño de un material sintético, que contenga las propiedades de un tejido tan complejo como el cerebral, es un gran reto. Un desafío al que se enfrentan hoy día diversos grupos de investigación.

El uso de biomateriales ha ido aumentando exponencialmente desde la creación del primer biomaterial en la década de 1920, llamado Vitallium, una aleación metálica de uso odontológico. En la actualidad, existen innumerables aplicaciones para este tipo de materiales, entre ellos alrededor de 2.700 equipos médicos y unos 39.000 preparados farmacéuticos. Aunque estos materiales hayan generado un gran impacto positivo en la sanidad mundial, aún existe la necesidad de diseñar polímeros más refinados y métodos más sofisticados para caracterizar y testar estos materiales. Este es el caso de los biomateriales que pretenden imitar el tejido cerebral.

A lo largo de los años, se han llegado a diseñar varios tipos de biomateriales con esta intención. Estos tejidos sintéticos son requeridos en diversas tecnologías emergentes, como pueden ser el desarrollo de modelos de enfermedades neurológicas, la caracterización del tejido neuronal o el diseño de organoides cerebrales (versión miniaturizada y simplificada de un órgano, creado in vitro). Además, también podrían utilizarse para aplicaciones in vivo, esto es, para realizar implantes directamente en el tejido cerebral de pacientes con patologías diversas. Se cree que la utilización de biomateriales más sofisticados minimizaría la respuesta inmune de los pacientes y el rechazo al tejido. Pero para poder aplicar estos materiales exitosamente, es de vital importancia imitar las características físicas del cerebro.

Foto: Paweł Czerwiński / Unsplash

El mayor desafío de diseñar un tejido semejante al tejido cerebral reside en una característica física del mismo, que lo hace difícil de manipular: es muy blando. Esto se debe en parte al alto grado de hidratación de este órgano. El contenido de agua del tejido cerebral oscila entre el 73 y el 85% de la masa total, gracias a su alto contenido en proteoglicanos, moléculas que atrapan agua. También presenta muy poca cantidad de fibra de colágeno, el cual se relaciona con la rigidez de distintos órganos. Por ello, cuantificar la rigidez de este órgano es una de las tareas que está abordando la investigación en este ámbito.

Esta cuantificación se realiza mediante la medición del módulo elástico, una constante elástica que determina el grado de elasticidad (o rigidez) de un material en concreto. Hasta la fecha, no se ha podido caracterizar completamente esta medida para el tejido cerebral. Además, existen diferentes métodos experimentales para la determinación del módulo elástico y estos métodos divergen sustancialmente de un laboratorio a otro, así como las condiciones en las que se lleva a cabo dicha medición. Esta gran variedad de técnicas utilizadas genera unos resultados muy dispares entre distintos grupos de investigación, lo que hace que la comparación entre ellos sea casi imposible. Por esta razón, hasta ahora no se ha conseguido sintetizar ningún material que imite las complejas propiedades de este tejido.

Aún y así, sí existen potenciales candidatos que, aunque no son lo suficientemente sofisticados, podrían brindar grandes resultados combinándolos con otros materiales. Uno de ellos son las inyecciones de hidrogel, los cuales están siendo estudiados para el tratamiento posterior a la extirpación de glioblastoma (el tumor más común de la glia). Asimismo, este material inyectable brinda la posibilidad de administrar fármacos de una manera continuada. Aunque las propiedades viscoelásticas de estas inyecciones aún no han sido comparadas directamente con aquellas del cerebro, la mera posibilidad de que puedan ser inyectadas directamente en un paciente es extremadamente prometedora. Esto posibilitaría reemplazar los materiales rígidos y duros utilizados actualmente (Gliadel, por ejemplo) para rellenar cavidades cerebrales postoperatorias.

Por todo ello, investigaciones actuales trabajan en la caracterización de la firmeza del tejido cerebral en todas las escalas, desde la morfología visible hasta la escala nanométrica (neuronas y células glia) y bajo condiciones fisiológicas. Esta caracterización, así mismo, deberá realizarse mediante métodos y protocolos estandarizados, con el objetivo de asegurar una comparación fiable entre distintos estudios.

Únicamente cuando comprendamos en profundidad las propiedades del tejido cerebral, seremos capaces de desarrollar biomateriales que se asemejen lo suficiente a la complejidad del mismo. Esta tarea conllevará un esfuerzo y supondrá un desafío para las y los investigadores, la tecnología con la que contamos actualmente ayudará a abordar la labor.

Referencias:

Axpe, E., Orive, G., Franze, K., & Appel, E. A. (2020). Towards brain-tissue-like biomaterials. Nature Communications, 11(1), 10–13. doi: 10.1038/s41467-020-17245-x

Peppas, N. A., & Langer, R. (1994). New challenges in biomaterials. Science, 263(5154), 1715–1720. doi: 10.1126/science.8134835

Biomaterials. (2017, September). Retrieved October 26, 2020, from https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/biomaterials

Sobre la autora: Irati Diez Virto es graduada en biología por la UPV/EHU y colaboradora en la Cátedra de Cultura Científica

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