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LA SEDA COMO BIOMATERIAL EN MEDICINAREGENERATIVAJose Luis CenisInstituto Murciano de Investigacion y Desarrollo Agrario y Alimentario (IMIDA)E-mail: josel.cenis@carm.es

Los grandes avances producidos en la ultima deca-da mediante la aplicacion de las herramientas dela biologıa molecular y celular han hecho posible eldesarrollo de nuevos conceptos terapeuticos en bio-medicina, que han abierto nuevos campos como sonla Medicina Regenerativa y la Ingenierıa de Teji-dos. Estos conceptos se basan en la posibilidad realde aislar celulas troncales (stem cells) indiferencia-das, desarrollarlas en soportes (scaffolds) adecuadosy favorecer su diferenciacion a diversos tejidos me-diante la accion de factores de crecimiento celularespecıficos. Ello abre la posibilidad de producir teji-dos humanos nuevos capaces de reemplazar a tejidoslesionados, evitando el riesgo de rechazo del sistemainmune. El componente principal de la Medicina Re-generativa es sin duda el conocimiento detallado dela biologıa y manejo de las celulas troncales. Estasinvestigaciones han captado la atencion del publicoy tienen un gran perfil mediatico. Sin embargo, hayotro componente de la ingenierıa de tejidos muchomenos conocido como son los biomateriales en los queesas celulas han de crecer, diferenciarse e integrar-se en los lugares adecuados del organismo receptor.Las caracterısticas de estos materiales tienen una in-fluencia decisiva en el exito del proceso.

Afortunadamente se dispone de una gran varie-dad de biomateriales adecuados para estas aplicacio-nes. Gran parte de ellos son sinteticos (biopolımeros,ceramicas, biovidrio, etc.) en tanto que otros son deorigen natural (colageno, alginatos, etc). Curiosamen-te, desde hace unos anos, uno de los materiales masantiguos producidos por la humanidad se esta mos-trando como uno de los biomateriales de mayor cali-dad y potencial para ingenierıa de tejidos. Se tratade la seda. La aplicacion de la seda como biomaterial,a traves de su uso en suturas quirurgicas, fue tem-prana, y data del siglo XIII. Sin embargo, los nuevosconocimientos adquiridos sobre las propiedades y es-tructura de este producto, han abierto su uso a nue-vas aplicaciones que vamos a tratar brevemente eneste trabajo.

Estructura y cualidades de la sedacomo biomaterial

La seda, es segregada por las glandulas sericıge-nas del gusano de seda (Bombyx mori L.), que la utili-za para elaborar el capullo, una estructura cerrada deproteccion en la que realiza la metamorfosis de larvaa adulto. Tal como es segregado el hilo de seda, quees contınuo y puede medir hasta 1.500 metros, cons-ta de dos proteınas. Una de ellas es la fibroına, quees una proteına polimerica y lineal, que alterna do-

minios amorfos y otros de lamina beta. Constituye el70 % del peso del capullo. La otra proteına es la seri-cina, hidrosoluble y de estructura globular, que man-tiene unidos los filamentos de fibroına. La sericina esnormalmente desechada en el proceso textil, aunquetiene diversas aplicaciones en medicina y cosmetica.La fibroına en cambio, presenta caracterısticas que lahacen muy interesante como biomaterial:

a) Es un material de naturaleza proteica, altamen-te biocompatible. No se verifica rechazo ni res-puesta inflamatoria en los tejidos donde se in-jerta. El rechazo ocasional que se ha reportadocon algunas suturas, se atribuye a la contami-nacion de la fibroına con sericina (11).

b) Presenta una gran resistencia mecanica a trac-cion, junto a una gran flexiblilidad.

c) Es biodegradable, pero a un ritmo mas lento queen otros biomateriales organicos, lo que permiteuna mejor consolidacion de los tejidos. En dosanos se reabsorbe totalmente y no se encuen-tran rastros de la misma en los tejidos (1).

d) Puede elaborarse en diferentes configuraciones,segun las necesidades: geles, films, matrices po-rosas 3D, microfibras y microesferas.

e) Su produccion es sencilla, y sostenible. La crıadel gusano de seda es sencilla y de bajo coste,si se dispone de moreras, y la elaboracion de losmateriales se hace predominantemente en me-dio acuoso con tecnicas relativamente simples.

f) Presenta la interesante propiedad de tener unasuperficie altamente reactiva. Su superficie pre-senta grupos carboxilo terminal a los que sepueden unir de forma covalente peptidos talescomo el motivo RGD (8), hormonas, tales comola PTH (8), y factores de crecimiento, tales co-mo la BMP-2 (bone morphogenetic protein-2) (4,5, 7). Estas proteınas favorecen de forma muysignificativa tanto la adhesion como el desarro-llo de los cultivos celulares implantados sobre lamatriz.

Presentaciones y elaboracion de laseda como biomaterial

Una de las ventajas de la fibroına de la seda comobiomaterial es la gran versatilidad de sus presenta-ciones junto con su facilidad de fabricacion. El puntode partida para la utilizacion de la seda como bioma-terial, al igual que se hace para su utilizacion en la

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industria textil, es la eliminacion de la sericina. Ellose hace mediante ebullicion en una solucion jabono-sa, o en carbonato sodico. Tras un filtrado, se obtieneuna madeja de textura similar al algodon, constituidaen su totalidad por fibroına. La fibroına es insolubleen agua y los disolventes habituales, y se solubilizaunicamente en bromuro de litio concentrado o en unamezcla de cloruro calcico y etanol. Una vez solubiliza-da, la solucion se dializa y se obtiene ası una solucionacuosa de fiboına regenerada a partir de la cual sefabrican las diversas presentaciones.

La presentacion mas sencilla de la fibroına es enforma de film y recubrimientos de otros materiales.Para ello, se parte de una solucion acuosa de fibroınaal 10 %, que se vierte en un molde o superficie ade-cuada y se deja evaporar. Posteriormente, se trata conuna solucion de metanol, que induce la transicion deuna estructura proteica parcialmente amorfa a unaestructura totalmente cristalina e insoluble. Este filmpuede actuar tambien como recubrimiento de otrosbiomateriales (poliuretanos, policaprolactonas, etc.)o actuar combinado en diversas mezclas con dichosbiomateriales (celulosa, polietileno, colageno, etc.). Elefecto obtenido es una mejora de las cualidades delos materiales por separado. Por ejemplo, el recubri-miento con fibroına de una matriz de policarbonato-uretano favorece la adhesion y el crecimiento de fi-broblastos en el mismo por un factor de 2.5 veces, res-pecto al material no recubiertos (2). Por otra parte, elfilm de fibroına ha demostrado un efecto positivo muysignificativo en la regeneracion de piel. Usado comovendaje en dermatotomıas, el film de fibroına produ-ce una mayor regeneracion del colageno y menor reac-cion inflamatoria, que se traduce en tiempos de cica-trizacion mas cortos con respecto a los materiales ha-bitualmente empleados (9). Una propiedad muy im-portante de los films de fibroına es que su superficiepresenta una gran variedad de residuos aminoacıdi-cos que permiten la posibilidad de decorar su super-ficie con distintos tipos de ligandos y factores de cre-cimiento. A traves de una modificacion quımica concarbodiimidas, es posible obtener un aclopamiento co-valente del motivo peptıdico RGD, lo que favorece laadhesion, proliferacion y diferenciacion de osteoblas-tos, fibroblastos y celulas estromales (8). Tambien seha demostrado que es posible decorar film de fibroınacon BMP-2 unida al mismo mediante enlace covalen-te (4). En estas condiciones, la proteına se retiene enla superficie del film durante un tiempo superior, enrelacion a la proteına que es simplemente adsorbidaa la superficie. Ello se traduce en una mejora signifi-cativa en la adhesion y diferenciacion de osteoblastosen la formacion de tejido oseo (4,5).

Figura 1. Cilindro solido de matriz porosa tridimensionalde fibroına

Un segundo tipo de presentacion de la fibroına es enforma de matrices o armazones porosos tridimensio-nales (3D scaffolds, Figura 1). Estas matrices porosasse forman anadiendo granos de ClNa de una granu-lometrıa conocida a una solucion de fibroına, de con-centracion entre el 4 y el 10 %. El efecto de la sal es elde captar el agua de la solucion y crear huecos. Trasla evaporacion del agua, tratamiento con metanol y ellavado de la sal el resultado es una estructura alta-mente porosa y esponjosa, con espacios del orden de100 micras, muy adecuada para el crecimiento celu-lar. Este tipo de matriz porosa se ha ensayado amplia-mente, en combinacion con la adicion de BMP-2, parala regeneracion de tejido oseo y cartılago a partir decelulas mesenquimales de la medula osea (5). En con-junto, la conclusion que se desprende de los trabajosrealizados es que la matriz porosa de fibroına cons-tituye un medio muy adecuado para el crecimientode celulas mesenquimales, y la posibilidad adicionalde decorar el material con factores de crecimiento setraduce en un crecimiento y diferenciacion de dichascelulas significativamente mas rapido y eficiente queel obtenido con materiales convencionales, tales comoel colageno. Por otra parte, la fibroına se biodegradaa una tasa mas lenta que el colageno (1), lo que su-pone que el nuevo tejido regenerado sobre la mismatiene un mejor soporte estructural en su proceso deformacion.

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Figura 2. Vista al microscopio de barrido del materialanterior, donde se aprecia su estructura superficial.

(Cortesıa S. Hofman y L. Meinel, ETH, Zurich)

Un tercer tipo de presentacion de la fibroına sonlas esponjas de nanofibras (Non-woven mats, Figura3). En este caso, a traves de un proceso conocido co-mo electrohilado que consiste en pulverizar a presionuna solucion de fibroına sometida a un campo electri-co (30 Kv) sobre un tambor metalico conectado a tie-rra, se obtienen nanofibras de fibroına de un diame-tro comprendido entre 100 y 300 nanometros. Estasnanofibras, entrelazadas entre sı, tienen una dimen-sion y configuracion muy similar a la de la matriz ex-tracelular de los tejidos, y por tanto, constituyen unsustrato muy adecuado para el crecimiento de celu-las humanas (6). Ademas, se ha comprobado que elproceso de electrohilado no es tan agresivo como paradegradar proteınas, por lo que incorporando BMP-2 ygranulos de hidroxiapatito a la solucion acuosa de fi-broına se produce un armazon electrohilado activo yoptimo para el crecimiento y diferenciacion de celulasmesenquimales a tejido oseo (7).

Figura 3. Vista al microscopio de barrido de una red demicrofibras de fibroına de seda obtenida medianteelectrohilado. (Cortesıa S. Hofman y L. Meinel, ETH,

Zurich)

Por ultimo, la fibroına tambien puede presentarseen forma de microesferas (Figura 4) para la liberacioncontrolada de farmacos. Este es un campo de un enor-me interes para la industria farmaceutica. A travesdel tratamiento de la fibroına con metanol, es posi-ble modular el grado de cristalinidad de la estructuraproteica en lamina beta de la superficie, configuran-do la capacidad del material para retener y liberar deforma controlada enzimas y proteınas terapeuticas.Normalmente se observa una pauta de liberacion delas mismas caracterizada por una liberacion inicialraoida seguida por una liberacion lineal y progresivaa lo largo de un perıodo prolongado (3).

Figura 4. Vista al microscopio de barrido de unamicroesfera de fibroına de seda. (Cortesıa S. Hofman y

L. Meinel, ETH, Zurich)

Aplicaciones de los biomaterialesde seda

La versatilidad de la fibroına como biomaterial lahace apta para cualquier tipo de aplicacion en In-genierıa Tisular. Sin embargo, las aplicaciones queestan mas maduras y cercanas a su aplicacion final loson en el campo de la regeneracion de hueso, cartıla-go y ligamentos. En este sentido, una aplicacion muyinteresante es la reconstruccion de ligamento cruza-do de la rodilla mediante la elaboracion de un cordonde fibras de seda que posteriormente, se siembran concelulas mesenquimales de la medula osea que se di-ferencian a tejido de ligamento, ofreciendo una resis-tencia mecanica muy superior a la de otros materia-les organicos y una gran biocompatibilidad (1). Estaaplicacion esta ya en fase comercial en Estados Uni-dos, por parte de una companıa especializada en eldesarrollo de biomateriales basados en fibroına de se-da (Serica, ). A traves de esta companıa tambien sedispone de hidrogeles y armazones de fibroına uti-lizables en cirugıa estetica y reconstructiva. Otrasaplicaciones relacionadas con regeneracion de tejidooseo y cartılago no estan disponibles todavıa, pero losbuenos resultados descritos en la literatura cientıfi-ca (1, 4-9) invitan a pensar que su aplicacion clınicano esta lejana. Otra de las areas en las que se tra-baja activamente es en regeneracion axonal en tejido

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nervioso. Ya se ha demostrado que la fibroına es al-tamente biocompatible con tejido nervioso, y se handesarrollado construcciones de configuracion tubulardestinadas a guiar el crecimiento axonal de nervio pe-riferico, que a la vez liberan factores de crecimientode nervio (NGF) para estimular dicho desarrollo (10).

Aparte de las aplicaciones mencionadas, hay otrasmuchas en desarrollo en este momento, y otras mu-chas posibles que todavıa no se han comenzado a ex-plorar. La entrada de la fibroına en el repertorio dearmazones para crecimiento y diferenciacion celulares relativamente reciente, alrededor de una decada,por lo que aun no se ha aprovechado todo su poten-cial. El desarrollo de este material ha sido lideradopor el Departamento de Ingenierıa Quımica y Cen-tro de Biotecnologıa, de la Tufts University (Medford,Massachussets, EE.UU), liderado por David Kaplan.Hay tambien grupos de investigacion muy producti-vos en este campo en Japon, China y Corea. Por loque respecta a Europa, destaca el grupo de LorenzMeinel, en la Escuela Politecnica de Zurich (Suiza), ytambien hay grupos muy activos en diversas univer-sidades de Alemania e Italia.

Por lo que respecta a nuestro paıs, los estudios so-bre la seda, en cualquiera de sus aspectos, son muyescasos, a pesar de la gran importancia que tuvo suproduccion en siglos pasados. Que sepamos, unica-mente el Departamento de Ciencia de Materiales dela ETSI de Caminos, Canales y Puertos de la UPMha mantenido durante bastantes anos una lınea ac-tiva y competitiva de investigacion sobre seda, en suvertiente de material estructural y resistente. Mas re-cientemente, desde hace tres anos, el Instituto Mur-ciano de Investigacion y Desarrollo Agrario y Alimen-tario (IMIDA) se ha incorporado al campo de la inves-tigacion sobre aprovechamientos biotecnologicos de laseda en el campo especıfico de los biomateriales. Esteinteres es logico y obligado, si se considera que las ins-talaciones del IMIDA constituyeron la Estacion Se-ricıcola de Murcia, fundada en 1892, y que fue el cen-tro de referencia espanol en todas las actividades re-lacionadas con la produccion y elaboracion de la seda.Esta actividad sericıcola finalizo en 1976, cuando lacompetencia de la seda asiatica y las fibras sinteticasexpulsaron la seda espanola del mercado textil.

El hacer una revision completa de este tema su-perarıa el espacio permitido, por lo que puede obte-

nerse informacion adicional consultando la revisionmas reciente, de Wang et al. (11), que revisa 271 refe-rencias. En cualquier caso, la conclusion que se extraetras consultar la abundante bibliografıa sobre el temaes que la fibroına de la seda ofrece una gran versatili-dad en su presentacion, resistencia mecanica, biocom-patibilidad, y reactividad quımica en la superficie quepermite la adhesion de todo tipo de moleculas bioac-tivas. Todo ello lo convierte en un sustrato casi idealpara el crecimento y diferenciacion de celulas huma-nas. Por tanto, una vez realizados los ensayos clınicosy los procesos de validacion correspondientes, los bio-materiales de fibroına van a ser de gran utilidad en elcampo de la Ingenierıa Tisular.

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