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 [email protected]
(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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MODELADO Y MECANOBIOLOGÍA EN MEDICINA REGENERATIVA
José Manuel García AznarInstituto de Investigación en Ingeniería deAragón (I3A)Universidad de [email protected]