Não existe um padrão ouro para como os cirurgiões ortopédicos de coluna promovem o crescimento de osso novo em pacientes, mas agora os cientistas da Northwestern University desenvolveram um nanomaterial bioativo que é tão bom em estimular a regeneração óssea que pode se tornar o método preferido pelos cirurgiões.

Enquanto estudado em um modelo animal de fusão espinhal, o método para promover o crescimento de novos ossos pode se traduzir prontamente para os humanos, os pesquisadores dizem, onde uma população idosa, mas ativa, nos EUA está cada vez mais recebendo esta cirurgia para tratar a dor devido à degeneração do disco, trauma e outros problemas nas costas. Muitos outros procedimentos podem se beneficiar do nanomaterial, variando de reparo de trauma ósseo a tratamento de câncer ósseo e crescimento ósseo para implantes dentários.

"A medicina regenerativa pode melhorar a qualidade de vida, oferecendo abordagens menos invasivas e mais bem-sucedidas para promover o crescimento ósseo, "disse Samuel I. Stupp, quem desenvolveu o novo nanomaterial. “Nosso método é muito flexível e pode ser adaptado para a regeneração de outros tecidos, incluindo músculo, tendões e cartilagem. "

Stupp é diretor do Instituto Simpson Querrey de BioNanotecnologia da Northwestern e professor de Ciência e Engenharia de Materiais do Conselho de Curadores, Química, Medicina e Engenharia Biomédica.

Para o estudo interdisciplinar, Stupp colaborou com o Dr. Wellington K. Hsu, professor associado de cirurgia ortopédica, e Erin L. K. Hsu, professor assistente de pesquisa de cirurgia ortopédica, ambos na Escola de Medicina Feinberg da Northwestern University. A equipe de marido e mulher está trabalhando para melhorar os métodos de regeneração óssea empregados clinicamente.

Moléculas de açúcar na superfície do nanomaterial fornecem seu poder regenerativo. Os pesquisadores estudaram in vivo o efeito do nanomaterial "revestido de açúcar" na atividade de um fator de crescimento usado clinicamente, chamada proteína morfogenética óssea 2 (BMP-2). Eles descobriram que a quantidade de proteína necessária para uma fusão espinhal bem-sucedida foi reduzida a um nível sem precedentes:100 vezes menos de BMP-2 era necessário. Esta é uma notícia muito boa, porque o fator de crescimento é conhecido por causar efeitos colaterais perigosos quando usado nas quantidades necessárias para regenerar osso de alta qualidade, e também é caro.

Os resultados foram publicados hoje (19 de junho) na revista Nature Nanotechnology .

O nanomaterial biodegradável de Stupp funciona como uma matriz extracelular artificial, que imita o que as células do corpo normalmente interagem em seu entorno. O BMP-2 ativa certos tipos de células-tronco e sinaliza para que se tornem células ósseas. A matriz do Noroeste, que consiste em minúsculos filamentos em nanoescala, liga a proteína por design molecular da forma como os açúcares naturais se ligam em nossos corpos e, em seguida, libera-a lentamente quando necessário, em vez de em uma explosão inicial, o que pode contribuir para os efeitos colaterais.

Para criar as nanoestruturas, a equipe de pesquisa liderada por Stupp sintetizou um tipo específico de açúcar que se assemelha aos usados ​​pela natureza para ativar o BMP-2 quando a sinalização celular é necessária para o crescimento ósseo. Moléculas de açúcar flexíveis em movimento rápido exibidas na superfície das nanoestruturas "agarram" a proteína em um local específico que é precisamente o mesmo usado em sistemas biológicos quando é hora de implantar o sinal. Isso potencializa os sinais de crescimento ósseo a um nível surpreendente que ultrapassa até mesmo os polímeros de açúcar que ocorrem naturalmente em nossos corpos.

Na natureza, os polímeros de açúcar são conhecidos como polissacarídeos sulfatados, que possuem estruturas supercomplexas impossíveis de sintetizar atualmente com técnicas químicas. Centenas de proteínas em sistemas biológicos são conhecidas por terem domínios específicos para ligar esses polímeros de açúcar a fim de ativar sinais. Essas proteínas incluem aquelas envolvidas no crescimento dos vasos sanguíneos, recrutamento celular e proliferação celular, todos muito importantes biologicamente na regeneração de tecidos. Portanto, a abordagem da equipe Stupp poderia ser estendida a outros alvos regenerativos.

A fusão espinhal é um procedimento cirúrgico comum que une vértebras adjacentes usando um enxerto ósseo e fatores de crescimento para promover o crescimento ósseo novo, que estabiliza a coluna. O osso usado no enxerto pode vir da pelve do paciente - um procedimento invasivo - ou de um banco de ossos.

"Há uma necessidade real de uma eficácia clínica, maneira segura e econômica de formar osso, "disse Wellington Hsu, um cirurgião de coluna. "O sucesso deste nanomaterial me deixa animado porque todo cirurgião de coluna pode um dia se inscrever neste método de enxerto ósseo. Agora, se você pesquisar uma audiência de cirurgiões de coluna, você obterá de 15 a 20 respostas diferentes sobre o que eles usam para enxerto ósseo. Precisamos padronizar a escolha e melhorar os resultados dos pacientes. "

Na parte in vivo do estudo, o nanomaterial foi entregue à coluna vertebral usando uma esponja de colágeno. Esta é a forma como os cirurgiões atualmente administram o BMP-2 clinicamente para promover o crescimento ósseo.

A equipe de pesquisa da Northwestern planeja buscar a aprovação da Food and Drug Administration para lançar um ensaio clínico estudando o nanomaterial para regeneração óssea em humanos.

"Nós, cirurgiões, procuramos transportadores ideais para fatores de crescimento e células, "Wellington Hsu disse." Com seus inúmeros locais de ligação, os longos filamentos desse novo nanomaterial são mais bem-sucedidos do que os transportadores existentes na liberação do fator de crescimento quando o corpo está pronto. O tempo é fundamental para o sucesso na regeneração óssea. "

No novo nanomaterial, os açúcares são exibidos em uma estrutura construída a partir de moléculas de automontagem conhecidas como anfifílicos de peptídeos, desenvolvido pela primeira vez por Stupp 15 anos atrás. Essas moléculas sintéticas têm sido essenciais em seu trabalho com a medicina regenerativa.

"Nós nos concentramos na regeneração óssea para demonstrar o poder da nanoestrutura do açúcar para fornecer um grande impulso de sinalização, "Stupp disse." Com pequenas mudanças de design, o método poderia ser usado com outros fatores de crescimento para a regeneração de todos os tipos de tecidos. Um dia poderemos acabar totalmente com o uso de fatores de crescimento feitos pela biotecnologia recombinante e, em vez disso, fortalecer os naturais em nossos corpos. "

O artigo é intitulado "Sulfated Glycopeptide Nanostructures for Multipotent Protein Activation."