FORO TECNOLÓGICO Y EMPRESARIAL:La Ingeniería al Servicio de la Salud

MODELADO Y MECANOBIOLOGÍA EN MEDICINA REGENERATIVA

José Manuel García AznarInstituto de Investigación en Ingeniería deAragón (I3A)Universidad de Zaragozajmgaraz@unizar.es

(Business Week, July 27, 1998, p. 58-59)

REGENERACIÓN DE TEJIDOS

REGENERACIÓN DE TEJIDOS

MEDICINA REGENERATIVA:

RESTAURAR FUNCIONALIDAD DE TEJIDOS Y ÓRGANOS DAÑADOS

REGENERACIÓN DE TEJIDOS

Terapia celular Ingeniería de tejidos

Ingeniería BiomédicaTransplante

MEDICINA REGENERATIVA

REGENERACIÓN DE TEJIDOS

MEDICINA REGENERATIVA

Terapia celular Ingeniería de tejidos

Ingeniería BiomédicaTransplante

MEDICINA REGENERATIVA

Biológicos

REGULACIÓN

Químicos Mecánicos

Otros

MEDICINA REGENERATIVA

MEDICINA REGENERATIVA

Biológicos

REGULACIÓN

Químicos Mecánicos

Otros

MECANOBIOLOGIA

LOS FACTORES MECANICOS PUEDEN REGULAR LOS PROCESOS BIOLOGICOS

Las cargas mecánicas regulan los cambios morfológicos y estructurales de los tejidos vivos (hueso, cartílago, ligamentos y tendones) (van der Meulen and Huiskes, 2002)

Los efectos mecánicos pueden actuar en diferentes escalasespaciales y temporales

(Hunter and Borg, 2003)

MECANOBIOLOGIA

A nivel molecular, e.g., mecánica del DNA

(Bao and Suresh, Nature Materials 2003)

MECANOBIOLOGIA

A nivel celular, e.g., propiedades mecánicas de células sanas e infectadas/anormales

(Suresh et al., Acta Biomaterialia 2005)

MECANOBIOLOGIA

Interacción Célula-matriz extracelular, e.g., diferenciación celular dependiente de la elasticidad de la matriz

(Engler et al., Cell 2006)

MECANOBIOLOGIA

A nivel de tejidos, e.g., consolidación ósea

2 mm

6 mm

(Claes et al. 2003)

(Claes et al. 2003)

(Gómez-Benito et al, 2005)

MECANOBIOLOGIA

A nivel de órganos, e.g., fémur de ratón

(Chalmers & Ray, 1962)

MECANOBIOLOGIA

¿Cómo analizar la influencia de todos estos factores?

MODELADO: un modelo esUna simplificación de la realidadPermite comprender o entender mejor el efecto de un factor o un proceso

Tipos de modelos:In-vitroIn-vivoIn-silico o computacional

MODELADO

MODELADO

REAL+-

INFO

RMAC

IÓN

+-

CONT

ROL

Diseño de implantes

Regeneración ósea: fijador activo

Ingeniería de tejidos

MODELADO: EJEMPLOS

Modelado celular

Diseño de implantes

Regeneración ósea: fijador activo

Ingeniería de tejidos

MODELADO: EJEMPLOS

Modelado celular

Modelado de la remodelación ósea

MODELADO: EJEMPLOS

(Doblaré & García, 2001)

fbio=0.03 fbio=0.05

APLICACIÓN AL DISEÑO DE PRÓTESIS DE CADERA

MODELADO: EJEMPLOS

(García-Aznar et al, 2005)

0.2

Resultados contrastados con valores clínicos

fbio=0.03 fbio=0.05 (Maloney et al., 2002)

APLICACIÓN AL DISEÑO DE PRÓTESIS DE CADERA

MODELADO: EJEMPLOS

Diseño de implantes

Regeneración ósea: fijador activo

Ingeniería de tejidos

MODELADO: EJEMPLOS

Modelado celular

Dotado de un motor queproduce una vibración que estimula

los procesos de reparación del hueso.

Motor 2 aplicaciones diariasFrecuencia = 80 Hz.

Desplazamiento ~ 0.1 mm.

MODELADO: EJEMPLOS

APLICACIÓN AL DISEÑO DE UN FIJADOR DINÁMICO

Toma datos

VALIDACIÓN

Modelo computacional

Instrumentación

Modelo in-vivoResultados

Fabricación

MODELADO: EJEMPLOS

Evolución de la carga axil con el fijador estático

MODELADO: EJEMPLOS

Evolución de la carga axil en el fijador estático y dinámico

6 estáticas (13)2 dinámicas (8) + 4 en desarrollo

MODELADO: EJEMPLOS

Diseño de implantes

Regeneración ósea: fijador activo

Ingeniería de tejidos

MODELADO: EJEMPLOS

Modelado celular

14 days

42 days28 days

56 days

2 days

(Sanz-Herrera et al, 2009)

MODELADO: EJEMPLOS

Diseño de implantes

Regeneración ósea: fijador activo

Ingeniería de tejidos

MODELADO: EJEMPLOS

Modelado celular

• Los microtúbulos y los filamentos de actina se conectan a la membrana a través de una placa membranosa de proteínas.

Modelo de la mecánica celular (Moreo et al. 2008)

• Los elementos celulares que realizan una función relevante en el mecanismo mecanosensor de las células son:

MODELADO: EJEMPLOS

cθ aθ

θ

– En ambos casos los resultados coinciden con lo observado experimentalmente in-vitro (Wong et al., 2003; Beloussov et al., 2000; Mandeville et al., 1997)

– Las diferencias encontradas en la concentración celular a lo largo del gradiente de rigidez y de predeformación se deben al efecto de la migración celular (durotaxis y tensotaxis) y también a la variación de la proliferación celular.

Ejemplo de aplicación: migración y proliferación celular en sustratos

MODELADO: EJEMPLOS

CONCLUSIONES

• La Medicina Regenerativa es un campo todavía joven, donde la aportación de la Ingeniería constituye un aspecto innovador del que se esperan grandes logros.

• Campo multidisciplinar: ingenieros, biólogos, físicos, biólogo molecular, matemáticos, cirujanos, etc.

• La combinación de metodologías en modelado, más habitual en ingeniería, constituye una nueva forma de trabajo en el ámbito de la medicina regenerativa.

Simulación biomecánica del proceso de reparación de fracturas óseas, DGA P008/2001Diseño de un fijador externo inteligente para la consolidación de fracturas de huesos largos, Ministerio de Ciencia y Tecnología, DPI2006-09692Mecanobiología de la regeneración tisular. Modelado y validación in-vitro, IBERCAJAMecanobiología de la diferenciación celular. Análisis in Vitro y modelado matemático,(PIPAMER0802), IACSIngeniería de Tejidos para la regeneración del cartílago articular: Influencia de factores mecánicos, DGA PI031/08

Agradecimientos

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José Manuel García AznarInstituto de Investigación en Ingeniería deAragón (I3A)Universidad de Zaragozajmgaraz@unizar.es