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biomateriales para la modulación
de la inflamación que causa la
degeneración macular asociada
a la edad (bIoDmaE)
En el marco de este proyecto se desarrollará una nueva clase de
biomateriales híbridos capaces de contrarrestar algunos de los
procesos que contribuyen al envejecimiento del tejido del ojo.
Gracias a estos materiales se logrará paliar la degeneración macular,
causa principal de pérdida de visión entre las personas mayores.
Eva Chinarro y Berta Moreno
Instituto de Cerámica y Vidrio (CSIC)
La degeneración macular
asociada a la edad
Las enfermedades relacionadas con la edad, y entre ellas
la degeneración macular (DM),
son, por definición, desórdenes crónicos desencadenados de forma tardía con características histopatológicas
y clínicas distintivas. Aunque
la susceptibilidad de cada individuo a la hora de desarrollar
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DM depende de un número,
cada vez mayor, de factores
de riesgos genéticos y medioambientales, cada vez más se
apunta al envejecimiento y los
eventos fisiológicos derivados
de él, como una posible diana para aquellas terapias que
pretenden prevenir esta enfermedad. La DM asociada a la
edad es la primera causa de
ceguera en la población ancia-
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na mundial. Aunque la DM no
causa una ceguera total, hay
una progresiva pérdida de visión asociada a cambios degenerativos y neovasculares
en la mácula. Actualmente, no
existe una cura ni una forma
de prevenir este tipo de degeneración.
La investigación en este campo avanza poco a poco, y así
en los últimos años se han realizado nuevos descubrimientos, los cuales están comenzando a mostrar una idea más
clara de los procesos celulares y bioquímicos implicados
en el desarrollo de una DM
temprana y, relacionado con
ello, en los procesos asociados al envejecimiento de forma general. Algunos procesos
celulares, como son el estrés
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Eva Chinarro
Científico Titular en el Instituto de Cerámica y Vidrio (ICV) del CSIC desde el 2008. Doctora por la Universidad Autónoma de
Madrid en 2003, cuya tesis se realizó en el marco de un proyecto europeo JOULE, donde se desarrolló la primera pila de
combustible PEM de 800 W en el ámbito nacional. Su experiencia en el desarrollo y caracterización de materiales para pilas
de combustible, y el potencial de las propiedades electroquímicas de los materiales, le condujo a explotarlas en el área de
los biomateriales aplicados fundamentalmente en el SNC. Bajo el proyecto europeo NERBIOS y el proyecto del CSIC NEUROMAT, trabajó en el desarrollo de biomateriales cerámicos y composites biocompatibles para la adherencia, supervivencia y crecimiento neuronal para la reparación de la médula espinal mediante el uso de estos materiales como guías axonales asistidas por campo eléctrico; asimismo colaboró en la creación del laboratorio de biomateriales del Hospital Nacional
de Parapléjicos de Toledo. En la actualidad continúa su trabajo con biomateriales liderando una acción integrada y como
coordinadora del Proyecto Cero en envejecimiento BIODMAE.
Eva Chinarro.
Es coordinadora de la asignatura Caracterización y diagnosis de pilas de combustible en un máster UIMP-CSIC, responsable del grupo ELAMAT (materiales con aplicaciones electroquímicas) del ICV y ha desempeñado el cargo de vicedirectora del ICV en 2011.
berta moreno
Es contratada postdoctoral JAEDoc en el en el Instituto de Cerámica y Vidrio (ICV) del CSIC desde el 2009. Obtuvo su doctorado por la Universidad Autónoma de Madrid en 2006, con el trabajo de tesis titulado «Síntesis por combustión de catalizadores cerámicos y metálicos para Pilas de Combustible avanzadas». Realizó una estancia postdoctoral en el Hospital
Nacional de Parapléjicos de Toledo en el marco del proyecto europeo NERBIOS y del proyecto del MICINN «Preparación
de sustratos electroactivos para la reparación del sistema nervioso central». Compagina su actividad investigadora con la
docencia, siendo profesora de la asignatura Caracterización y diagnosis de pilas de combustible en un Máster UIMP-CSIC.
Berta Moreno.
oxidativo, la inflamación o un
metabolismo alterado del colesterol, han sido relacionados con la patogénesis de la
DM. Además, en la evolución
de esta enfermedad están implicadas una función mermada
del epitelio pigmentario retiniano (RPE) y diferentes factores
sistémicos locales, responsables del desarrollo de complicaciones atróficas o neovasculares. De esta manera, al
estar implicados, en la evolución de esta enfermedad, tejidos con una baja regeneración celular como son el tejido
neural o vascular, el micro-
ambiente sistémico asociado
al envejecimiento genera las
condiciones óptimas para que
la progresión de la senescencia macular avance sin que encuentre ninguna barrera.
Se ha demostrado que el enriquecimiento en la dieta por
medio de un suplemento rico
en antioxidantes puede reducir en un 25% durante al menos 5 años el riesgo de desarrollar la DM « seca» (una
tipología de la DM) asociada a la edad, en aquellos sujetos con un riesgo moderado
de padecer esta enfermedad.
La variante «húmeda» de la
DM se caracteriza por una
neovascularización de las coroides y actualmente se trata,
con relativo éxito, exclusivamente mediante el uso de anticuerpos anti-VEGF (Vascularization Endothelial Growth
Factors). Sin embargo, la recuperación de la nitidez visual
se ha logrado sólo de forma
parcial, siendo necesario mantener este tipo de tratamientos intravitrales durante largos periodos de tiempo para
mantener el beneficio clínico.
Por lo tanto, se puede considerar que este tratamiento no
es una solución definitiva, ya
que se ha observado en algunos casos un aumento de la
resistencia a la tolerancia frente a este tratamiento; además,
existen reticencias importantes con respecto al uso de esta terapia debido a las consecuencias que sus efectos
secundarios pueden tener sobre los sistemas cardiaco y
cerebrovascular.
Aunque se cuenta con el conocimiento básico de algunos
de los procesos implicados en
el envejecimiento extracelular,
todavía hay muchos aspectos
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de esta enfermedad que continúan siendo un misterio, como la secuencia de tiempos
en la que tienen lugar dichos
procesos o los eventos que los
desencadenan. Las investigaciones realizadas en este sentido han permitido determinar
cuatro fenómenos que contribuyen a la senescencia extracelular, cuya relación queda expresada en la Figura 1:
un aumento de la rigidez de
la matriz debido a la existencia de mecanismos de entrecruzamiento y fibrosis; un desplazamiento del balance entre
la síntesis y eliminación de especies reactivas de oxígeno
(Reactive Oxygen Species,
ROS); la existencia de neovascularización y, finalmente, la
presencia de procesos inflamatorios.
/// Figura 1. Fenómenos que contribuyen a la senescencia
celular ////////////////////////////////////////////////////////////////////
Inflamación
Neovasculación
Especies
reactivas
de oxígeno
Procesos
inflamatorios
Fuente: elaboración propia.
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Estrategias para solucionar la degeneración macular asociada a la edad
Los tratamientos necesarios
para reducir los efectos de la
degeneración macular asociada a la edad deben estar diseñados de acuerdo con cada
paciente, basados en un buen
conocimiento de los factores
de riesgo genéticos o ambientales asociados a cada caso
concreto. El uso de biomateriales en el ojo ha sido extenso
durante los últimos 40 años,
un claro ejemplo lo constituyen
todos aquellos polímeros usados con éxito tanto como lentes intraoculares como para el
reemplazo de cornea. Dentro
de ellos, el polymetilmetacrilato (PMMA) ha sido considerado como uno de los materiales fetiche debido a su buena
compatibilidad, a sus excelentes propiedades ópticas y su
estabilidad a largo plazo bajo
condiciones fisiológicas.
En el caso específico del tratamiento de la DM, también
se han propuesto algunas estrategias que implican el uso
de biomateriales, pero siempre focalizadas en el uso de
estos materiales sólidos para que actúen como vehículos del trasplante celular, entre
otras, de células retinales o células madre.
Algunos trabajos han demostrado que en tejidos con bajo
potencial regenerativo, como
son el cerebral, el medular y el
cardiaco, el proceso de envejecimiento está dirigido más
por el entorno sistémico, que
por las células madre. En este
contexto, una importante diferencia entre el uso de biomateriales para la regeneración tisular y para la desaceleración
de la degradación tisular causada por el envejecimiento extracelular es que, en la última,
las células no necesitan colonizar el material o degradarlo. La función de estas células está encaminada a simular
micro-entornos « rejuvenecidos», o específicamente a revertir los procesos químicos y
físicos que caracterizan la progresión del tiempo en el ambiente extracelular. Se propone que dichos biomateriales
trabajen como matrices curativas, en lugar de formar parte de los tratamientos convencionales que suponen el
trasplante de células. Dichas
matrices pueden trabajar en
conjunto con otro tipo de terapias farmacéuticas o basadas
en células, tratando de remodelar en entorno local extracelular como una estrategia para prevenir el envejecimiento.
En este sentido, la estrategia propuesta en el proyecto BIODMAE es original y novedosa, ya que plantea el uso
de biomateriales como agentes terapéuticos capaces de
modular el micro-entorno generado durante la enferme-
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dad, evitando presentar un
uso más convencional como
es el de actuar de soporte físico, conformado como una
matriz biodegradable para la
liberación de células o de fármacos.
Recientes estudios han señalado la importancia en la disminución del riesgo de padecer
DM de algunos agentes antiinflamatorios. A pesar de los resultados prometedores obtenidos, estas estrategias han
resultado más preventivas que
curativas, de manera que el
uso de los fármacos antiinflamatorios, que existen hoy en
día, junto con suplementos vitamínicos y antioxidantes, está
basado principalmente en una
acción sistémica general. En
el proyecto BIODMAE se propone una nueva estrategia de
actuación frente a la enfermedad que pretende modular la
acción de dos de los fenómenos conocidos que tienen una
influencia directa en el progreso de la misma: la respuesta
inflamatoria y, junto con ello, el
balance de especies reactivas
de oxígeno y nitrógeno (ROS)
generados en la evolución de
la enfermedad.
El óxido de titanio (TiO2) es un
material cerámico, con propiedades eléctricas semiconductoras de banda ancha
(3.0-3.3 eV) y con aplicaciones en muy diversos campos
tecnológicos. De entre todas
Los tratamientos
necesarios para
reducir los efectos
de la degeneración
macular asociada
a la edad deben
estar diseñados de
acuerdo con cada
paciente
Fotografía de varias partículas de TiO2 obtenida en un Microscopio Electrónico de
Alta Resolución (HR-TEM) modelo JEM 2000FX (300KV). El polvo de TiO2 ha sido
sintetizado mediante precipitación y calcinado a 600ºC/12h.
sus aplicaciones conocidas,
es importante resaltar su actividad fotocatalítica, por medio
de la cual, el TiO2 es capaz de
generar especies reactivas de
oxígeno y nitrógeno susceptibles de oxidar materia orgánica, eliminar bacterias y microorganismos, etc. Su actividad
fotocatalítica es la propiedad
explotada para llevar a cabo, entre otras aplicaciones,
la depuración de aguas residuales o de aire. De la misma
manera, estudios recientes
han demostrado que el TiO 2
en oscuridad es capaz no solo de no generar dichos radi-
cales, sino que tiene el potencial para eliminarlos mediante
una serie de complejas reacciones que implican la coexistencia de dos estados de valencia diferentes en el caso del
titanio (+3/+4).
Los ROS tienen un papel fundamental en los procesos inflamatorios, ya que son especies liberadas al inicio de dicha
reacción, cuya presencia es
determinante para la aparición de fibrosis en la zona inflamada. Esta capacidad que
tiene el óxido de titanio de eliminar dichas especies explica,
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de manera directa, la elevada
biocompatibilidad de este material en presencia de medios
fisiológicos. De hecho, se ha
demostrado la presencia de
TiO2 en la superficie de prótesis de titanio implantadas y retiradas después de años de
servicio, determinando que la
pasivación (proceso de formación espontánea de una capa
nanométrica de TiO2 sobre la
superficie del titanio metálico
como consecuencia de su exposición al aire) de dicho material es la causa que explica
la elevada biocompatibilidad
de este tipo de implantes. Esta capa interacciona directamente con el cuerpo durante la respuesta del tejido frente
al implante, evitando la prolongación de dicha respuesta inflamatoria en el tiempo, incluso en presencia de proteínas y
otros iones presentes normalmente en la sangre, e impidiendo de esta manera la encapsulación del implante por medio
de una cicatriz fibroblástica.
Estrategia propuesta en el
Proyecto bIoDmaE
El objetivo del proyecto BIODMAE es desarrollar una nueva
clase de biomateriales híbridos (orgánico-inorgánico) basados en la unión de un polímero, el polimetilmetacrilato
(PMMA), y un material cerámico, el óxido de titanio (TiO2). De
manera que el hibrido diseñado presente una bioactividad
integrada capaz de neutra-
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lizar algunos de los fenómenos descritos anteriormente y
que contribuyen activamente
al envejecimiento sistémico y
tisular del ojo y, por lo tanto, a
la progresión de la degeneración macular. Este biomaterial
ha de ser capaz de modular el
micro-entorno extracelular y
de tejido conectivo del ojo, para prevenir y controlar aquellos
procesos inflamatorios que
ocurren durante la progresión
de esta enfermedad.
La novedad del proyecto
BIODMAE reside en el diseño de un biomaterial implan-
table capaz de modular in situ el entorno de la mácula,
sin contar con la administración de fármacos. Algunas de
las terapias propuestas hasta el momento describen tratamientos basados en el uso
de medicamentos antiinflamatorios administrados vía
oral o de manera sistémica.
Dichos tratamientos conllevan una serie de desventajas
que se pretenden salvar con
el proyecto BIODMAE: baja
bio-disponibilidad local y bajo poder terapéutico, efectos
secundarios en tejidos sanos
y corto tiempo de vida me-
dio de las moléculas terapéuticas. Frente a estas desventajas se propone implantar un
material basado en TiO2, material cerámico que presenta
una conocida actividad como
neutralizador de ROS, cuya
presencia está directamente relacionada con los procesos inflamatorios. De esta manera se pretende disminuir o
prevenir el envejecimiento del
ambiente extracelular en el tejido ocular como consecuencia de la acción de dichas especies inflamatorias. Además,
en el proyecto se propone estudiar otros materiales cerá-
Fotografía de una capa de TiO2 depositada por dip-coating sobre un sustrato de vidrio. La fotografía ha sido obtenida en un
Microscopio Electrónico de Barrido y la capa, una vez preparada, ha sido calcinada a 450ºC/5h.
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Aunque la degeneración macular no causa una ceguera total, hay una progresiva
pérdida de visión asociada a cambios degenerativos y neovasculares en la mácula.
micos con una similar potencialidad, entre ellos el óxido de
cerio (CeO2). Las propiedades
de este material se han estudiado siempre en relación a
su aplicación en el campo de
la energía, especialmente como electrolito sólido en pilas
de combustible de óxidos sólidos (SOFC). Pero la existencia de un doble estado de valencia Ce (+3/+4), al igual que
en el caso del TiO2, ha sugerido su aplicación en campos
tecnológicos diferentes, entre ellos el de la biotecnología. Estudios previos realizados en el grupo del ICV-CSIC
La novedad del
proyecto reside
en el diseño de
un biomaterial
implantable capaz
de modular in situ
el entorno de la
mácula
(coordinador de esta propuesta) han sugerido que este material también posee una capacidad para reaccionar con
los ROS neutralizándolos. De
manera que en el proyecto se
pretenden explorar las posibilidades de aplicación directa
de dicho óxido como agente
antiinflamatorio en el entorno
extracelular del tejido ocular.
La obtención de un material
híbrido (orgánico-inorgánico)
resulta fundamental para alcanzar los objetivos propuestos en el proyecto BIODMAE.
La elección del PMMA como
componente orgánico de este material compuesto (composite) ha resultado obvia a la
vista de las propiedades de dicho polímero en contacto con
el tejido ocular, y más considerando las posibilidades de
procesamiento que ofrece
(electrospinning para la preparación del material en forma de nanofibras, colaje para
la preparación de membranas
autosoportadas y spin-coating para la obtención de capas finas soportadas sobre
diferentes sustratos). La caracterización del composite
obtenido se realizará en base
a la determinación de sus propiedades físico-químicas y su
reactividad frente a las especies radicales de oxígeno y nitrógeno, tanto generadas químicamente, como aquellas
producidas en contacto con
células inflamatorias, tales como macrófagos y neutrófilos.
En este sentido cobrará especial importancia el estudio
de la evolución de la reactividad de los composites con el
tiempo. Finalmente, en el marco del proyecto se realizarán
ensayos de dichos materiales
en presencia de células inflamatorias en el interior de biorreactores construidos para
simular el ambiente del humor
vítreo del ojo, y así llevar a cabo experimentos lo más cercanos posible a un test in vivo.
En este proyecto la aplicación
clínica de un tratamiento para
la prevención de la degeneración macular es el principal objetivo a largo plazo. Para llevar
a cabo, con éxito, los objetivos
propuestos en el proyecto, se
ha constituido un consorcio
europeo interdisciplinar para el
desarrollo de dichos materiales
híbridos y su posterior caracterización, empleando para ello,
birreactores construidos para
simular el ambiente del humor
vítreo del ojo. Dicho consorcio está liderado por la doctora Eva Chinarro, jefa del grupo
ELAMAT, perteneciente al Instituto de Cerámica y Vidrio del
CSIC; el Instituto Nacional de
Engenharia Biomédica (INEB),
encabezado por la doctora Ana Pégo, de Portugal, y
la Universidad de Pisa en Italia, representada por la doctora Arti Ahluwalia, que será subcontratada para la realización
de los experimentos en presencia de células.
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