Resumen de Multiscale modeling of the bone healing process
Frederico Canas de Matos e Oliveira Ribeiro
1. Resumen Tras un traumatismo el hueso puede dañarse, no obstante es el tejido más resistente del cuerpo humano. Generalmente, dicho daño aparece como consecuencia de una fractura que, rápidamente, desencadena un mecanismo de regeneración del hueso.
Éste es un mecanismo notable que permite restaurar las propiedades del tejido sano, sin dejar ninguna cicatriz. En realidad, esta robustez es el reflejo de una interacción compleja entre tejidos, células y factores químicos: los tejidos proporcionan soporte estructural, las células regeneran esos tejidos y los factores regulan la actividad celular. Cada uno de estos elementos actúa a diferentes escalas y a través diferentes mecanismos, revelando así la dinámica multiescala y multifísica de la curación del hueso.
Teniendo en cuenta los diferentes aspectos de la curación del hueso – i.e. órgano, tejido, célula y molécula – en este trabajo se investigan los varios mecanismos que, en estos diferentes contextos, son críticos para la respuesta biológica. Dependiendo del detalle pretendido en cada enfoque, se decidió utilizar la escala macroscópica o la escala celular. De esta forma, (1) al nivel del órgano y desde la escala macroscópica, se destaca la formación del callo y como ésta tiene una estructura optimizada; (2) al nivel de los tejidos y desde la escala microscópica, se investigó de que forma la geometría de la fractura afecta el patrón de curación; (3) al nivel celular y otra vez desde la escala macroscópica, se comprobó que el factor BMP-2 es un importante modulador celular, aún más en grandes defectos; (4) además, al nivel molecular y desde la escala celular, se demostró que una concentración apropiada de factor químico permite optimizar el mecanismo de quimiotaxis durante el reclutamiento celular.
Con esta estrategia de dividir y vencerás, ha sido posible entender que diferentes mecanismos actúan a diferentes niveles, y que la actividad de cada uno es fundamental en la curación efectiva del hueso. Más importante todavía, la forma como estos elementos se relacionan sugiere que se pueden desarrollar estrategias que utilicen de forma integrada varios aspectos de la regeneración ósea. Con este trabajo, se pretende entender mejor los procesos biológicos mejorando las terapias existentes.
2.1 Resumen de las Conclusiones Los huesos son órganos notables: robustos, complejos y adaptables, juegan un papel central en muchas funciones fundamentales del cuerpo (Tortora y Grabowski, 2004). Aunque el hueso sea habitualmente conocido por sus propiedades mecánicas, en este trabajo se analiza una faceta menos conocida del hueso: su capacidad de curar y consolidar fracturas.
El hueso es famoso por tener una organización multiescala jerárquica: muchas de sus características estructurales derivan de un equilibrio entre diferentes actividades celulares que están reguladas por un complejo conjunto de señales biomoleculares. La consolidación del hueso hereda esta jerarquía estructural entre tejidos, células y biomoléculas, revelando así la complejidad y la robustez del fenómeno en cuestión.
Como previamente fue determinado por Giannoudis et al. (2007), el proceso de consolidación viene regulado por cuatro aspectos fundamentales: el ambiente mecánico, una matriz extracelular (MEC) adecuada para las células, la disponibilidad de células para la regeneración y un amiente bioquímico apropiado. Estas cuatro condiciones referidas, a veces denominadas como condiciones diamante, representan juntas diferentes facetas de la misma consolidación y demuestran que este fenómeno puede ser abordado desde diferentes perspectivas en diferentes niveles.
De esta forma, y como se ha sugerido en el párrafo anterior, en este trabajo se revisa – en virtud de la biomecánica - la consolidación del hueso y sus interacciones desde cuatros punto de vista distintos, i.e. desde el punto de vista del órgano, del tejido, celular y molecular. Consecuentemente, en cada capítulo se analiza la consolidación del hueso desde una perspectiva diferente con el intento de revelar qué mecanismos fundamentales están en juego en cada nivel.
2.1.1. A nivel del órgano Se comienza la investigación en el Capítulo 3, al nivel del órgano, donde desde un punto de vista macroscópico se estudia la formación y el crecimiento del callo. En investigaciones anteriores, el callo se ha considerado tradicionalmente un elemento sencillo, típicamente representado por una estructura fija. En contrapunto con esto, el objetivo de este capítulo ha sido lo de entender mejor la formación y función del callo, y para eso se plantea esta estructura como un elemento activo de la consolidación y se plantean técnicas de optimización para demonstrar que el callo puede ser considerado una estructura óptima. Bajo esta perspectiva, este trabajo sugiere que el callo se forma y crece como consecuencia de la inestabilidad mecánica en el foco de fractura. Nuestros resultados a su vez indican que, de forma alternativa, la formación inicial del callo tambien puede ser desencadenada por un estímulo inflamatorio local.
Independientemente del mecanismo exacto que regula el crecimiento del callo, lo importante es indicar que su último objetivo consiste en crear un ambiente mecánico estable favorable a la regeneración de tejidos. Así, con un entendimiento más detallado de los estímulos que gobiernan el crecimiento del callo, es posible mejorar la estabilidad de fractura para poder acelerar su consolidación. Esta última idea está en línea con la investigación en ingeniería de tejidos que también intenta mejorar la consolidación a través de un mayor control sobre el ambiente mecánico (Damien and Parsons, 1991, Yamada et al., 1997, Castilho 2012, Byrne et al., 2007).
2.1.2 A nivel de tejido Históricamente, los modelos de consolidación de fracturas desarrollados hasta el momento se han validado para el caso de fracturas transversales estándar. Por causa de eso, el conocimiento que existe de la consolidación en otro tipo de fracturas, como por ejemplos fracturas oblicuas, es relativamente limitado. En el Capítulo 4, se aborda este problema, y para eso se analiza el patrón de formación de tejidos en la fractura/callo durante la consolidación, en fracturas oblicuas de diferentes ángulos. Así se pretende identificar la influencia que puede tener el ángulo de fractura en la curación de la fractura.
Se observa que el ángulo de fractura tiene efectivamente un efecto considerable en el patrón de consolidación. Específicamente, hemos observado que las fracturas transversales no son las que curan más rápidamente ni tampoco las que consiguen estabilizar mejor. De hecho, ha sido interesante notar que fracturas con ángulos de 0° y 75° tienen patrones de consolidación similares. Ahora fracturas con 15° y 30° han tenido una curación mejor que las demás, i.e. más rápidamente y con formación de más hueso. Inesperadamente, en fracturas oblicuas de 45° hemos observado importantes signos de instabilidad asociados a un consolidación más lenta.
El estudio realizado en este capítulo se centra en la orientación de la fractura y es un trabajo muy teórico. No obstante, las conclusiones alcanzadas pueden ser muy relevantes para profesionales médicos ya que aquí se demuestra cualitativamente el impacto que la oblicuidad de la fractura puede tener en la consolidación y en el patrón de tejidos formados.
2.1.3. A nivel celular En contraste con mucha de la investigación en consolidación de fracturas realizada en el pasado, en el Capítulo 3 se indica el papel importante que el estímulo bioquímico puede tener. En el Capítulo 5 se ha desarrollado más esta idea y se demuestra que la BMP-2 regula de forma relevante el comportamiento celular durante el proceso consolidación.
En efecto, en este capítulo se presenta la hipótesis según la cual el estimulo bioquímico coordina/modula el efecto del estímulo mecánico, en un enfoque que tiene particular interés en casos dónde una combinación de los dos estímulos puede ser importante. En este capítulo nos centramos en el efecto de la BMP-2 y para eso se busca en la literatura datos experimentales cuantitativos que nos han permitido caracterizar el efecto de este factor. La información recogida nos ha posibilitado entender mejor de que forma, algunas de las actividades más fundamentales de la consolidación, son simuladas e influenciadas por este factor.
La información recogida nos ha permitido testar in silico algunas nuevas estrategias ya existentes en in vivo para tratar grandes defectos óseos. De hecho, se ha conseguido reproducir con éxito la curación con BMP-2 observada en grandes defectos (Kolambkar et al., 2011). La validación obtenida refleja claramente la importancia del ambiente bioquímico (Giannoudis et al., 2007) y también confirma nuestra hipótesis inicial según la cual el factor bioquímico puede coordinar el efecto regulatorio del estímulo mecánico.
Es importante destacar que nuestras predicciones in silico se corresponden con exactitud a los resultados observados in vivo. Esto indica que se ha desarrollado una herramienta precisa y eficaz con el potencial de proporcionar un entendimiento más extenso sobre la regeneración del hueso; en particular el nuevo modelo desarrollado nos puede ayudar a determinar las dosis de BMP-2 que garantice una respuesta óptima de las células durante la curación ósea.
2.1.4. A nivel molecular La investigación realizada en el Capítulo 5 ha permitido identificar muchos de los comportamientos celulares regulados por el entorno bioquímico. Sin lugar a dudas, la migración celular, y más específicamente la quimiotaxis, es uno de eses comportamientos. Desde el punto de vista de los grandes defectos introducidos en el Capítulo 5, las células y las células mesenquimales (CM) más específicamente necesitan una señal química para ser atraídas desde sus locus naturales hasta en el centro del defecto donde son realmente necesarias para regenerar los tejidos. Por esta razón, en el Capítulo 6 se enfoca la quimiotaxis en 3D de las CM y en la forma como los gradientes bioquímicos y la MEC regulan la eficacia de la migración.
En contraste con lo que se hizo anteriormente, en este capítulo se baja hasta la escala celular para poder tener una mejor percepción de las reacciones químicas que intervienen, al nivel molecular. Efectivamente, desde un punto de vista molecular, en este capítulo se ha descrito en detalle el mecanismo de "quimiosensor" y para eso se tuvo en cuenta las reacciones químicas que ocurren al nivel de la membrana celular. Mediante la descripción del mecanismo "quimiosensor" con un sistema de protrusiones y mecanobiologico celular básico, se ha desarrollado un modelo capaz de replicar patrones clave de la quimiotaxis de las CM en 3D.
En particular, se ha conseguido predecir con precisión velocidades y patrones de migración celulares comparables a los obtenidos en anteriores resultados in vivo (Moreno-Arotzena et al., 2015A). Más importante aún, esta investigación ha permitido identificar dos aspectos fundamentales que tienen que estar sintonizados adecuadamente para poder amplificar la migración de las CM. En primer lugar, para que la células puedan migrar en 3D dentro de una MEC, esa matriz tiene que ser suficientemente permisiva para permitir que las células migren en ella. En segundo lugar, la señalización proporcionada por el factor quimio-atrayente puede ser ajustada - a partir de la concentración del factor – para maximizar la quimio-atracción. De hecho, esta investigación sugiere que existe una concentración específica con la cual las CM migran de manera óptima.
Todos estos resultados indican que la invasión del defecto por CM puede ser optimizado con la utilización de un scaffold o andamio suficientemente permisivo y con dosis optimas de factor bioquímico. Esto sugiere que el desarrollo de dispositivos que utilicen estos dos elementos pueda ser eficaz para mejorar la regeneración ósea.
2.2. Conclusiones Principales Tras resumir la investigación desarrollada, se pueden señalar las cuatro principales conclusiones que se pueden extraer de este trabajo. En primer lugar, se ha mostrado que el crecimiento del callo puede ser abordado como un problema de optimización. Desde el punto de vista de consolidación de fracturas esto se puede entender como una minimización de la instabilidad mecánica. En segundo lugar, se ha mostrado también que la tasa de consolidación de una fractura depende de la geometría de la fractura y del ángulo de fractura en particular. Efectivamente, diferentes configuraciones de fractura cambian la distribución del estímulo mecánico, afectando así la formación de nuevos tejidos y el patrón de curación. En tercer lugar, se ha verificado que el factor BMP-2 proporciona un estimulo de modulación capaz de amplificar la respuesta celular. Este efecto tiene particular importancia en grandes defectos y, en ese contexto, se ha visto que la BMP-2 es absolutamente necesaria para que el hueso pueda curar con éxito. Por fin, en cuarto lugar, se identifica que la migración celular se puede mejorar cuando se ajusta la rigidez de la matriz extracelular (donde están las células) y el gradiente que regula la quimiotaxis. De hecho, la concentración del gradiente de quimiotaxis puede optimizar la migración celular, lo que sugiere que el reclutamiento de las células se puede maximizar.
Con estas cuatro conclusiones, se puede entender claramente que la consolidación de fractura queda regulada por mecanismos que ocurren a diferentes escalas. De esta forma, estos resultados sugieren que la regeneración ósea se puede abordar desde diferentes ángulos y mediante distintas estrategias que combinen diferentes mecanismos.
Bibliografia:
Ribeiro F.O., Gómez-Benito M.J., Folgado J., Fernandes P.R., García-Aznar J.M. (2014). Is the callus shape and optimal response to a mechanobiological stimulus? Medical Engineering and Physics, 36, 1508-1514 Ribeiro F.O., Gómez-Benito M.J., Folgado J., Fernandes P.R., García-Aznar J.M. (2015) In silico mechano-chemical model of bone healing for regeneration of critical defects the effect of BMP-2. Plos One Ribeiro F.O., Gómez-Benito M.J., Folgado J., Fernandes P.R., García-Aznar J.M. (2016) Computational model of mesenchymal migration in 3D under chemotaxis. (under review)
