En noviembre de 2021, investigadores de la Universidad Northwestern introdujeron una nueva terapia inyectable, que aprovecha «moléculas danzantes» de rápido movimiento, para reparar tejidos y revertir la parálisis después de lesiones graves en la médula espinal.
Ahora, el mismo grupo de investigación ha aplicado la estrategia terapéutica a células de cartílago humano dañadas. En el nuevo estudio, el tratamiento activó la expresión genética necesaria para regenerar el cartílago en tan solo cuatro horas. Y, después de solo tres días, las células humanas produjeron componentes proteicos necesarios para la regeneración del cartílago.
Los investigadores también descubrieron que, a medida que aumentaba el movimiento molecular, también aumentaba la eficacia del tratamiento. En otras palabras, los movimientos de “baile” de las moléculas eran cruciales para desencadenar el proceso de crecimiento del cartílago.
El estudio fue publicado hoy (26 de julio) en la revista Revista de la Sociedad Química Americana.
«Cuando observamos por primera vez los efectos terapéuticos de las moléculas danzantes, no vimos ninguna razón por la que debiera aplicarse únicamente a la médula espinal», dijo Samuel I. Stupp, de la Universidad Northwestern, quien dirigió el estudio. «Ahora, observamos los efectos en dos tipos de células que están completamente desconectadas entre sí: las células del cartílago en nuestras articulaciones y las neuronas en nuestro cerebro y médula espinal. Esto me hace estar más seguro de que podríamos haber descubierto un fenómeno universal. Podría aplicarse a muchos otros tejidos».
Stupp es un experto en nanomedicina regenerativa y profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica de la Northwestern University, donde es director fundador del Instituto Simpson Querrey de Bionanotecnología y su centro afiliado, el Centro de Nanomedicina Regenerativa. Stupp tiene nombramientos en la Escuela de Ingeniería McCormick, la Facultad de Artes y Ciencias Weinberg y la Escuela de Medicina Feinberg. Shelby Yuan, estudiante de posgrado en el laboratorio de Stupp, fue la autora principal del estudio.
Gran problema, pocas soluciones
Según la Organización Mundial de la Salud, en 2019, casi 530 millones de personas en todo el mundo padecían osteoartritis. La osteoartritis, una enfermedad degenerativa en la que los tejidos de las articulaciones se deterioran con el tiempo, es un problema de salud común y la principal causa de discapacidad.
En los pacientes con osteoartritis grave, el cartílago puede desgastarse tanto que las articulaciones se transforman básicamente en hueso sobre hueso, sin una amortiguación entre ellos. Esto no solo es increíblemente doloroso, sino que las articulaciones de los pacientes ya no pueden funcionar correctamente. En ese punto, el único tratamiento eficaz es una cirugía de reemplazo articular, que es costosa e invasiva.
«Los tratamientos actuales tienen como objetivo retrasar la progresión de la enfermedad o posponer el inevitable reemplazo articular», dijo Stupp. «No existen opciones regenerativas porque los humanos no tienen una capacidad inherente para regenerar el cartílago en la edad adulta».
¿Qué son las ‘moléculas danzantes’?
Stupp y su equipo propusieron que las «moléculas danzantes» podrían estimular la regeneración del tejido rebelde. Las moléculas danzantes, inventadas previamente en el laboratorio de Stupp, son conjuntos que forman nanofibras sintéticas que comprenden de decenas a cientos de miles de moléculas con potentes señales para las células. Al ajustar sus movimientos colectivos a través de su estructura química, Stupp descubrió que las moléculas en movimiento podían encontrar rápidamente y conectarse adecuadamente con los receptores celulares, que también están en constante movimiento y extremadamente abarrotados en las membranas celulares.
Una vez dentro del cuerpo, las nanofibras imitan la matriz extracelular del tejido circundante. Al adaptarse a la estructura de la matriz, imitar el movimiento de las moléculas biológicas e incorporar señales bioactivas para los receptores, los materiales sintéticos pueden comunicarse con las células.
«Los receptores celulares se mueven constantemente», dijo Stupp. «Al hacer que nuestras moléculas se muevan, ‘bailen’ o incluso salten temporalmente fuera de estas estructuras, conocidas como polímeros supramoleculares, pueden conectarse de manera más efectiva con los receptores».
El movimiento importa
En el nuevo estudio, Stupp y su equipo buscaron en los receptores una proteína específica fundamental para la formación y el mantenimiento del cartílago. Para dirigirse a este receptor, el equipo desarrolló un nuevo péptido circular que imita la señal bioactiva de la proteína, llamada factor de crecimiento transformante beta-1 (TGFb-1).
Luego, los investigadores incorporaron este péptido en dos moléculas diferentes que interactúan para formar polímeros supramoleculares en agua, cada uno con la misma capacidad de imitar al TGFb-1. Los investigadores diseñaron un polímero supramolecular con una estructura especial que permitía que sus moléculas se movieran con mayor libertad dentro de los grandes conjuntos. El otro polímero supramolecular, sin embargo, restringía el movimiento molecular.
«Queríamos modificar la estructura para poder comparar dos sistemas que difieren en la amplitud de su movimiento», explicó Stupp. «La intensidad del movimiento supramolecular en uno es mucho mayor que en el otro».
Aunque ambos polímeros imitaron la señal para activar el receptor TGFb-1, el polímero con moléculas que se mueven rápidamente fue mucho más eficaz. En cierto modo, fueron incluso más eficaces que la proteína que activa el receptor TGFb-1 en la naturaleza.
«Después de tres días, las células humanas expuestas a los largos conjuntos de moléculas más móviles produjeron mayores cantidades de los componentes proteínicos necesarios para la regeneración del cartílago», dijo Stupp. «Para la producción de uno de los componentes de la matriz del cartílago, conocido como colágeno II, las moléculas danzantes que contienen el péptido cíclico que activa el receptor TGF-beta1 fueron incluso más eficaces que la proteína natural que tiene esta función en los sistemas biológicos».
¿Que sigue?
El equipo de Stupp está actualmente probando estos sistemas en estudios con animales y añadiendo señales adicionales para crear terapias altamente bioactivas.
«Con el éxito del estudio en células de cartílago humano, predecimos que la regeneración del cartílago mejorará enormemente cuando se utilice en modelos preclínicos altamente translacionales», dijo Stupp. «Debería convertirse en un nuevo material bioactivo para la regeneración del tejido cartilaginoso en las articulaciones».
El laboratorio de Stupp también está probando la capacidad de las moléculas danzantes para regenerar los huesos, y ya cuenta con resultados preliminares prometedores, que probablemente se publicarán a finales de este año. Al mismo tiempo, está probando las moléculas en organoides humanos para acelerar el proceso de descubrimiento y optimización de materiales terapéuticos.
El equipo de Stupp también continúa desarrollando su caso ante la Administración de Alimentos y Medicamentos, con el objetivo de obtener la aprobación de ensayos clínicos para probar la terapia para la reparación de la médula espinal.
«Estamos empezando a ver la enorme variedad de condiciones a las que podría aplicarse este descubrimiento fundamental sobre las ‘moléculas danzantes'», afirmó Stupp. «El control del movimiento supramolecular mediante el diseño químico parece ser una herramienta poderosa para aumentar la eficacia de una variedad de terapias regenerativas».
