MODELADO Y MECANOBIOLOGÍA EN MEDICINA REGENERATIVA

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1 FORO TECNOLÓGICO Y EMPRESARIAL: La Ingeniería al Servicio de la Salud MODELADO Y MECANOBIOLOGÍA EN MEDICINA REGENERATIVA José Manuel García Aznar Instituto de Investigación en Ingeniería dearagón (I3A) Universidad de Zaragoza

2 REGENERACIÓN DE TEJIDOS (Business Week, July 27, 1998, p )

3 REGENERACIÓN DE TEJIDOS MEDICINA REGENERATIVA: RESTAURAR FUNCIONALIDAD DE TEJIDOS Y ÓRGANOS DAÑADOS

4 REGENERACIÓN DE TEJIDOS Terapia celular Ingeniería de tejidos MEDICINA REGENERATIVA Transplante Ingeniería Biomédica

5 REGENERACIÓN DE TEJIDOS Terapia celular Ingeniería de tejidos MEDICINA REGENERATIVA Transplante Ingeniería Biomédica

6 REGULACIÓN Biológicos Químicos MEDICINA REGENERATIVA Mecánicos Otros

7 REGULACIÓN Biológicos MECANOBIOLOGIA Químicos MEDICINA REGENERATIVA Mecánicos Otros

8 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 escalas espaciales y temporales (Hunter and Borg, 2003)

9 MECANOBIOLOGIA A nivel molecular, e.g., mecánica del DNA (Bao and Suresh, Nature Materials 2003)

10 MECANOBIOLOGIA A nivel celular, e.g., propiedades mecánicas de células sanas e infectadas/anormales (Suresh et al., Acta Biomaterialia 2005)

11 MECANOBIOLOGIA Interacción Célulamatriz extracelular, e.g., diferenciación celular dependiente de la elasticidad de la matriz (Engler et al., Cell 2006)

12 MECANOBIOLOGIA A nivel de tejidos, e.g., consolidación ósea (Claes et al. 2003) 2 mm (Claes et al. 2003) 6 mm (Gómez-Benito et al, 2005)

13 MECANOBIOLOGIA A nivel de órganos, e.g., fémur de ratón (Chalmers & Ray, 1962)

14 MODELADO Cómo analizar la influencia de todos estos factores? MODELADO: un modelo es Una simplificación de la realidad Permite comprender o entender mejor el efecto de un factor o un proceso Tipos de modelos: In-vitro In-vivo In-silico o computacional

15 - REAL + MODELADO - CONTROL INFORMACIÓN +

16 MODELADO: EJEMPLOS Diseño de implantes Regeneración ósea: fijador activo Ingeniería de tejidos Modelado celular

17 MODELADO: EJEMPLOS Diseño de implantes Regeneración ósea: fijador activo Ingeniería de tejidos Modelado celular

18 Modelado de la remodelación ósea MODELADO: EJEMPLOS (Doblaré & García, 2001)

19 APLICACIÓN AL DISEÑO DE PRÓTESIS DE CADERA MODELADO: EJEMPLOS f bio =0.03 f bio =0.05 (García-Aznar et al, 2005)

20 APLICACIÓN AL DISEÑO DE PRÓTESIS DE CADERA Resultados contrastados con valores clínicos MODELADO: EJEMPLOS 0.2 f bio =0.03 f bio =0.05 (Maloney et al., 2002)

21 MODELADO: EJEMPLOS Diseño de implantes Regeneración ósea: fijador activo Ingeniería de tejidos Modelado celular

22 APLICACIÓN AL DISEÑO DE UN FIJADOR DINÁMICO MODELADO: EJEMPLOS Dotado de un motor que produce una vibración que estimula los procesos de reparación del hueso. Motor 2 aplicaciones diarias Frecuencia = 80 Hz. Desplazamiento ~ 0.1 mm.

23 MODELADO: EJEMPLOS Modelo computacional Fabricación Instrumentación VALIDACIÓN Resultados Toma datos Modelo in-vivo

24 Evolución de la carga axil con el fijador estático MODELADO: EJEMPLOS

25 MODELADO: EJEMPLOS Evolución de la carga axil en el fijador estático y dinámico 6 estáticas (13) 2 dinámicas (8) + 4 en desarrollo

26 MODELADO: EJEMPLOS Diseño de implantes Regeneración ósea: fijador activo Ingeniería de tejidos Modelado celular

27 MODELADO: EJEMPLOS 2 days 14 days 28 days 42 days (Sanz-Herrera et al, 2009) 56 days

28 MODELADO: EJEMPLOS Diseño de implantes Regeneración ósea: fijador activo Ingeniería de tejidos Modelado celular

29 MODELADO: EJEMPLOS 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: θ c θ a Los microtúbulos y los filamentos de actina se conectan a la membrana a través de una placa membranosa de proteínas. θ

30 MODELADO: EJEMPLOS Ejemplo de aplicación: migración y proliferación celular en sustratos 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.

31 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.

32 Agradecimientos Simulación biomecánica del proceso de reparación de fracturas óseas, DGA P008/2001 Diseño de un fijador externo inteligente para la consolidación de fracturas de huesos largos, Ministerio de Ciencia y Tecnología, DPI Mecanobiología de la regeneración tisular. Modelado y validación in-vitro, IBERCAJA Mecanobiología de la diferenciación celular. Análisis in Vitro y modelado matemático,(pipamer0802), IACS Ingeniería de Tejidos para la regeneración del cartílago articular: Influencia de factores mecánicos, DGA PI031/08

33 FORO TECNOLÓGICO Y EMPRESARIAL: La Ingeniería al Servicio de la Salud MODELADO Y MECANOBIOLOGÍA EN MEDICINA REGENERATIVA José Manuel García Aznar Instituto de Investigación en Ingeniería dearagón (I3A) Universidad de Zaragoza

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