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Um novo material desenvolvido pela Northwestern University mostra potencial para regenerar cartilagem de alta qualidade, oferecendo esperança para melhores tratamentos de lesões articulares e doenças como a osteoartrite.
Pesquisadores em Universidade Northwestern desenvolveram um material bioativo capaz de regenerar cartilagem de alta qualidade nas articulações do joelho.
Este novo material, que imita de perto o ambiente natural da cartilagem, mostrou resultados promissores em modelos animais, potencialmente reduzindo a necessidade de cirurgias de substituição do joelho e melhorando tratamentos para condições como osteoartrite e lesões esportivas.
Regeneração inovadora da cartilagem
Cientistas da Universidade Northwestern desenvolveram um novo material bioativo que regenerou com sucesso cartilagem de alta qualidade nas articulações do joelho de um modelo animal de grande porte.
Embora pareça uma gosma emborrachada, o material é, na verdade, uma rede complexa de componentes moleculares que trabalham juntos para imitar o ambiente natural da cartilagem no corpo.
No novo estudo, os pesquisadores aplicaram o material à cartilagem danificada nas articulações dos joelhos dos animais. Em apenas seis meses, os pesquisadores observaram evidências de reparo aprimorado, incluindo o crescimento de nova cartilagem contendo os biopolímeros naturais (colágeno II e proteoglicanos), que permitem resiliência mecânica sem dor nas articulações.
Uma imagem de microscopia do novo biomaterial. As nanofibras são rosas; o ácido hialurônico é mostrado em roxo. Crédito: Samuel I. Stupp/Northwestern University
Impacto potencial na saúde das articulações
Com mais trabalho, os pesquisadores dizem que o novo material poderá um dia ser usado para prevenir cirurgias de substituição total do joelho, tratar doenças degenerativas como osteoartrite e reparar lesões esportivas, como rupturas do LCA.
O estudo será publicado durante a semana de 5 de agosto no Proceedings of the National Academy of Sciences.
“A cartilagem é um componente crítico em nossas articulações”, disse Samuel I. Stupp, da Northwestern, que liderou o estudo. “Quando a cartilagem é danificada ou se rompe ao longo do tempo, isso pode ter um grande impacto na saúde geral e na mobilidade das pessoas. O problema é que, em humanos adultos, a cartilagem não tem uma capacidade inerente de cicatrização. Nossa nova terapia pode induzir o reparo em um tecido que não se regenera naturalmente. Acreditamos que nosso tratamento pode ajudar a abordar uma necessidade clínica séria e não atendida.”
Cartilagem de controle (corada com safranina) mostrada com um defeito no lado superior esquerdo da imagem. Crédito: Samuel I. Stupp/Northwestern University
A cartilagem tratada (corada com safranina) mostrou o defeito preenchido. Crédito: Samuel I. Stupp/Northwestern University
Pioneiro da nanomedicina regenerativa, Stupp é professor do Conselho de Administração de Ciência e Engenharia de Materiais, Química, Medicina e Engenharia Biomédica na Northwestern, onde é diretor fundador do Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology e seu centro afiliado, o Center for Regenerative Nanomedicine. Stupp tem nomeações na McCormick School of Engineering, Weinberg College of Arts and Sciences e Feinberg School of Medicine. Jacob Lewis, ex-aluno de doutorado no laboratório de Stupp, é o primeiro autor do artigo.
Componentes bioativos explicados
O novo estudo segue trabalho publicado recentemente do laboratório Stupp, no qual a equipe usou “moléculas dançantes” para ativar células de cartilagem humana para aumentar a produção de proteínas que constroem a matriz do tecido. Em vez de usar moléculas dançantes, o novo estudo avalia um biomaterial híbrido também desenvolvido no laboratório de Stupp. O novo biomaterial compreende dois componentes: um peptídeo bioativo que se liga ao fator de crescimento transformador beta-1 (TGFb-1) — uma proteína essencial para o crescimento e manutenção da cartilagem — e ácido hialurônico modificado ácidoum polissacarídeo natural presente na cartilagem e no fluido sinovial lubrificante nas articulações.
“Muitas pessoas estão familiarizadas com o ácido hialurônico porque é um ingrediente popular em produtos para a pele”, disse Stupp. “Ele também é encontrado naturalmente em muitos tecidos por todo o corpo humano, incluindo as articulações e o cérebro. Nós o escolhemos porque ele se assemelha aos polímeros naturais encontrados na cartilagem.”
A equipe de Stupp integrou o peptídeo bioativo e partículas de ácido hialurônico quimicamente modificadas para impulsionar a auto-organização de nanoescala fibras em feixes que imitam a arquitetura natural da cartilagem. O objetivo era criar um andaime atraente para as próprias células do corpo regenerarem o tecido da cartilagem. Usando sinais bioativos nas fibras em nanoescala, o material estimula o reparo da cartilagem pelas células, que povoam o andaime.
Testes clínicos e aplicações futuras
Para avaliar a eficácia do material em promover o crescimento da cartilagem, os pesquisadores o testaram em ovelhas com defeitos de cartilagem na articulação do joelho, uma articulação complexa nos membros posteriores semelhante ao joelho humano. Este trabalho foi realizado no laboratório de Mark Markel na Escola de Medicina Veterinária da Universidade de Wisconsin–Madison.
De acordo com Stupp, testar em um modelo de ovelha era vital. Assim como os humanos, a cartilagem de ovelha é teimosa e incrivelmente difícil de regenerar. Joelhos de ovelha e joelhos humanos também têm similaridades em suporte de peso, tamanho e cargas mecânicas.
“Um estudo em um modelo de ovelha é mais preditivo de como o tratamento funcionará em humanos”, disse Stupp. “Em outros animais menores, a regeneração da cartilagem ocorre muito mais prontamente.”
No estudo, os pesquisadores injetaram o material espesso e pastoso em defeitos da cartilagem, onde ele se transformou em uma matriz emborrachada. Não apenas a nova cartilagem cresceu para preencher o defeito conforme o andaime se degradou, mas o tecido reparado foi consistentemente de qualidade superior em comparação ao controle.
Uma solução duradoura
No futuro, Stupp imagina que o novo material poderia ser aplicado às articulações durante cirurgias de articulação aberta ou artroscópicas. O padrão atual de tratamento é a cirurgia de microfratura, durante a qual os cirurgiões criam pequenas fraturas no osso subjacente para induzir o crescimento de nova cartilagem.
“O principal problema com a abordagem de microfratura é que ela frequentemente resulta na formação de fibrocartilagem — a mesma cartilagem em nossas orelhas — em oposição à cartilagem hialina, que é a que precisamos para ter articulações funcionais”, disse Stupp. “Ao regenerar a cartilagem hialina, nossa abordagem deve ser mais resistente ao desgaste, corrigindo o problema de mobilidade ruim e dor nas articulações a longo prazo, evitando também a necessidade de reconstrução articular com grandes peças de hardware.”
Referência: “Um arcabouço polimérico supramolecular e covalente bioativo para reparo de cartilagem em um modelo de ovelha” 5 de agosto de 2024, Anais da Academia Nacional de Ciências.
DOI: 10.1073/pnas.2405454121
O estudo foi apoiado pelo Fundo da Família Mike e Mary Sue Shannon para Sistemas de Materiais Bioinspirados e Bioativos para Regeneração Musculoesquelética.