MOOC Biomateriales: El paradigma de la biocompatibilidad
Summary
TLDREl guion del video explora el concepto de biocompatibilidad en materiales médicos, explicando el paradigma en tres etapas: la absorción de proteínas en la superficie del material, la respuesta celular a estas proteínas y la reacción global del organismo. Se discute cómo la superficie de un material puede influir en la absorción competitiva de proteínas y cómo esto afecta la respuesta inmunitaria y la formación de tejido. Se destaca la importancia de la comunicación entre células y cómo la proliferación, diferenciación y activación celular pueden influir en la integración del material en el organismo, con aplicaciones en la mejora de la biocompatibilidad de futuros tratamientos.
Takeaways
- 🔬 El principio que permite que ciertos materiales sean biocompatibles y utilizados en medicina se conoce como el 'paradigma de la biocompatibilidad'.
- 🏥 Este paradigma se compone de tres etapas: absorción de macromoléculas (principalmente proteínas), reconocimiento celular y respuesta del organismo a la prótesis.
- 🧬 La absorción competitiva de proteínas en la superficie del biomaterial es crucial y depende de características como la topografía y la química de la superficie.
- 🔄 Las proteínas absorbidas pueden mantener su estructura nativa o sufrir desnaturalización, lo que afecta la señalización a las células.
- 👩⚕️ Las células del sistema inmune, especialmente los macrófagos, juegan un papel fundamental en la respuesta inmunitaria frente a materiales extraños.
- 🧵 Los fibroblastos son responsables de crear la capa de tejido conjuntivo sobre el material y son clave en la reparación de lesiones.
- 🌱 La diferenciación celular es un proceso competitivo con la proliferación celular, y es necesaria para la formación de tejidos especializados.
- 📈 La proliferación celular es esencial para el crecimiento del tejido, pero debe ser controlada para permitir la diferenciación y la formación de tejidos funcionales.
- 🛡️ La activación celular, como la de los linfocitos B, puede resultar en la producción de anticuerpos o en la formación de células de memoria, y es un aspecto importante de la inmunología.
- 🔬 Hay un gran potencial para mejorar la biocompatibilidad de los materiales mediante el entendimiento y la manipulación de estas interacciones celulares y moleculares.
Q & A
¿Qué es el paradigma de la biocompatibilidad y cómo se resume?
-El paradigma de la biocompatibilidad es un concepto que explica los mecanismos que determinan la capacidad de ciertos materiales para ser utilizados en medicina sin causar rechazo o inflamación crónica. Se resume en tres etapas: la absorción de macromoléculas, la interacción con células y la respuesta del organismo a la prótesis.
¿Qué sucede cuando se introduce un material en el organismo?
-Al introducir un material en el organismo, las proteínas del entorno químico se absorben en la superficie del material, lo que puede influir en la respuesta inmunitaria y la formación de tejido.
¿Qué es la absorción competitiva y cómo influye en la biocompatibilidad?
-La absorción competitiva es el fenómeno por el cual ciertas proteínas se adsorben preferentemente en la superficie del material según sus características como la topografía o la química de la superficie. Esto puede guiar la respuesta celular y determinar la biocompatibilidad del material.
¿Cómo las proteínas adsorbidas afectan a las células del sistema inmune?
-Las proteínas adsorbidas en la superficie del material son reconocidas por células del sistema inmune, como los macrófagos, y su estructura nativa o desnaturalizada puede influir en la señalización celular y, por ende, en la respuesta inmunitaria.
¿Qué papel juegan los fibroblastos en la interacción con los materiales en el organismo?
-Los fibroblastos son importantes en la formación del tejido conjuntivo sobre el material. Después de que la respuesta inflamatoria se ha controlado, los fibroblastos asumen la responsabilidad de crear la capa de tejido.
¿Cuáles son las tres posibles respuestas celulares a la señalización de la superficie del material?
-Las tres posibles respuestas celulares son la proliferación celular, la diferenciación y la activación. La proliferación implica el aumento numérico de células, la diferenciación lleva a una especialización celular y la activación provoca la producción de proteínas o macromoléculas específicas.
¿Por qué es importante que la proliferación celular disminuya para permitir la diferenciación?
-La diferenciación celular es el proceso por el cual las células adquieren funciones específicas y es necesario que la proliferación celular disminuya para permitir que las células se especialicen y formen tejidos específicos, como los osteocitos en el caso de prótesis óseas.
¿Qué es la diferenciación celular y cómo está relacionada con la reparación de tejidos?
-La diferenciación celular es el proceso por el cual las células maduras se especializan para realizar funciones específicas. Es crucial para la reparación de tejidos, ya que permite la formación de tejidos especializados como el tejido óseo en prótesis de hueso.
¿Cómo la activación de células como los linfocitos B puede influir en la respuesta inmunitaria al material introducido?
-La activación de células inmunitarias como los linfocitos B puede resultar en la producción de anticuerpos o en la formación de células de memoria, lo que puede influir en la capacidad del organismo para responder a futuras infecciones o patógenos relacionados con el material.
¿Cuáles son las implicaciones de los hallazgos sobre la biocompatibilidad para el desarrollo de técnicas terapéuticas futuras?
-Los hallazgos sobre la biocompatibilidad ofrecen un gran potencial para el desarrollo de técnicas terapéuticas que mejoran la integración de materiales en el organismo, reduciendo el rechazo y maximizando la formación de tejido funcional.
Outlines
🧬 Principios de Biocompatibilidad
El primer párrafo discute los principios fundamentales que determinan la biocompatibilidad de los materiales en medicina. Se menciona el 'paradigma de la biocompatibilidad' que se compone de tres etapas clave: la absorción de macromoléculas (principalmente proteínas) en el material, la reconocimiento de estas por células específicas y la respuesta del organismo a estas señales. La respuesta celular puede llevar al rechazo de la prótesis o a la formación de tejido funcional. Se enfatiza la importancia de la 'absorción competitiva' y cómo las características de la superficie del material, como la rugosidad y la química, afectan la absorción de proteínas y, por ende, la respuesta inmunitaria.
🔬 Células y su Interacción con Materiales
El segundo párrafo se enfoca en la interacción de las células con los materiales biocompatibles. Se describen los roles de los macrófagos y los fibroblastos en el sistema inmune y la formación del tejido conjuntivo, respectivamente. Se discute cómo las células pueden reaccionar a las proteínas absorbidas por el material, ya sea a través de la proliferación, la diferenciación o la activación. La proliferación implica el aumento numérico de células, mientras que la diferenciación lleva a la especialización celular. La activación, por otro lado, se refiere a la producción de proteínas o macromoléculas sin cambios en la división o linaje celular.
🛠️ Aplicaciones y Desarrollo Futuro
El tercer párrafo explora las aplicaciones futuras y el potencial de mejora de los materiales biocompatibles. Se destaca que, aunque la mayoría de los desarrollos se encuentran en etapas de laboratorio, hay un amplio campo para avanzar en la optimización de las propiedades de los materiales en interacción con el ser humano. Se sugiere que el entendimiento de los principios básicos de la biocompatibilidad puede ser fundamental para el diseño de prótesis y materiales médicos más avanzados en el futuro.
Mindmap
Keywords
💡Biocompatibilidad
💡Paradigma de la biocompatibilidad
💡Absorción competitiva
💡Proteínas absorbidas
💡Células inmunitarias
💡Fibroblastos
💡Diferenciación celular
💡Proliferación celular
💡Activación celular
💡Tejido conjuntivo
💡Tejido funcional
Highlights
El principio que permite la biocompatibilidad de los materiales en medicina se denomina el 'paradigma de la biocompatibilidad'.
El paradigma de la biocompatibilidad se compone de tres etapas clave en la interacción material-organismo.
La primera etapa es la absorción de macromoléculas, generalmente proteínas, sobre la superficie del material.
La absorción competitiva de proteínas depende de características de la superficie del material, como la topografía y la química.
La estructura nativa de las proteínas absorbidas puede mantenerse o desnaturalizarse, afectando su funcionalidad.
Las células del sistema inmune, especialmente los macrófagos, juegan un papel crucial en la respuesta al biomaterial.
Los fibroblastos son responsables de crear la capa de tejido conjuntivo sobre el material tras la inflamación.
Las células utilizan receptores para reconocer proteínas en la superficie del material y responder a las señales emitidas.
La proliferación celular es un proceso en el que el número de células aumenta para formar tejido sobre el material.
La diferenciación celular implica que las células hijas adquieren funcionalidades diferentes a la célula madre.
La diferenciación celular es un proceso competitivo con la proliferación; una disminución en la proliferación es necesaria para la diferenciación adecuada.
La activación celular, como en el caso de los linfocitos B, no implica división o cambio de linaje, sino la producción de proteínas o macromoléculas específicas.
La interacción del material con el organismo puede resultar en rechazo, formación o mantenimiento de una cápsula de tejido conjuntivo, o la formación de tejido funcional.
El éxito de una prótesis depende de cómo las células interpreten y respondan a las señales de las proteínas absorbidas.
El desarrollo de técnicas terapéuticas para mejorar la biocompatibilidad de los materiales está en una etapa temprana, con pocos avances en la clínica.
Los ejemplos futuros mostrarán cómo se pueden aplicar estos principios básicos para mejorar la interacción de los materiales con el ser humano.
Existe un amplio campo de investigación para avanzar en las propiedades de los materiales en relación con su biocompatibilidad.
Transcripts
Dejamos pendiente en la última sesión
cuál es el principio que permite
que hace que unos materiales sean biocompatibles
y los podamos utilizar en medicina
que permitan completar este proceso
de parar la inflamación
pasar al tejido conjuntivo
y finalmente sustituir el tejido conjuntivo por el tejido funcional
mientras que otros materiales se van quedando
en estadios intermedios
o bien genera una inflamación crónica
o bien no son capaces
de sustituir el tejido conjuntivo
que aparece después de superada
la inflamación, por el tejido funcional
La respuesta a la causa última
o aquellos mecanismos que determinan
esta biocompatibilidad se denomina como
el paradigma de la biocompatibilidad
y fue algo que se empezó a entender
justo en el cambio de siglo, ahora mismo
el paradigma de la biocompatibilidad
se resume en tres etapas
La primera de ellas es que
en el momento en el que se introduce un material
dentro del organismo, lo primero que sucede
es que se absorben
quedan pegadas sobre dicho material
diferentes macromoléculas, habitualmente proteínas
estas macromoléculas, fundamentalmente proteínas
dentro, que inicialmente están
en el entorno químico
donde encuentra el biomaterial
La segunda parte es que
estas proteínas absorbidas, pegadas a la superficie
son reconocidas por diversos linajes celulares
por diversos tipos de células
y finalmente en función de las señales
que estas proteínas absorbidas mandan a las células
es lo que hace que las células
desarrollen una determinada respuesta a esa señal
y esta respuesta es la que
extendida a todo el organismo
determina la respuesta global del organismo a la prótesis
ya sea de rechazo, de formación o de mantenimiento
de la cápsula de tejido conjuntivo
o el objetivo deseado, que es la formación
de tejido funcional sobre el propio material
este esquema básico, vamos a ver a continuación
que tiene una gran riqueza en cuanto a posibilidades
y sobre todo, que ofrece una gran cantidad
de aspectos que pueden ser y se espera que sean en el futuro
interesantes para el desarrollo de diferentes
técnicas terapéuticas
así, cuando introducimos un material en el organismo
Lo primero que puede suceder
es el fenómeno que se denomina
absorción competitiva
que implica que, de acuerdo con las
características de la superficie
y dentro de las características de la superficie
podemos incluir la topografía
cuál es la rugosidad superficial
tanto a una escala micrométrica
como a una escala incluso inferior
o cuál es la química de la superficie
si es una superficie cargada, que tiene una cierta
densidad de carga superficial
o es una superficie hidrofóbica
que repele agua, esto va a hacer que
haya determinadas proteínas que van a aparecer
de manera preferencial sobre esta superficie
y estas, va a ser una primera señal
cuáles son estas proteínas
que va a guiar
o que va a ser reconocida posteriormente por las células
por lo tanto, la primera cuestión es cuáles son
las proteínas que de manera preferencial
y en función de las propiedades de la superficie
se van a absorber sobre la misma
pero esto es solamente parte de la historia
porque incluso si una proteína se absorbe
sobre la superficie, pueden suceder
... puede sufrir dos mecanismos
estar sujeta a dos mecanismos, por un lado
puede mantener su estructura nativa
la proteína va a seguir siendo funcional
y va a mantener la estructura que tiene en disolución
o por el contrario, se puede desnaturalizar
puede perder su propia estructura
la proteína como tal, no se rompe
pero pierde la estructura tridimensional
que en muchas ocasiones es lo que le hace ser funcional
Y existen una serie de células
esto por ejemplo es importante
para muchas células del sistema inmune
para las que es una fuente de información vital
el hecho de encontrar proteínas
en un estado nativo
o bien proteínas que están desnaturalizadas
que ya están erróneas
y que ya no cumplen su función
Una vez que tenemos la superficie
tapizada de estas proteínas
con la absorción correspondiente que acabo de mencionar
los que intervienen nuestras dianas
serían los diferentes tipos de células
Por lo que he contado en la sesión anterior
un primer objetivo serían
células del sistema inmune, al fin y al cabo
lo que hay que tratar de
evitar a toda costa es
el desarrollo de una inflamación crónica
y dentro de estas células
los macrófagos, parecen los objetivos
fundamentales, por encargarse de
gran parte de la comunicación dentro del sistema inmune
por lo tanto, lo que tengan que decir los macrófagos
sobre la prótesis, sobre el material
va a tener mucho que ver
con el éxito o fracaso del mismo
alternativamente
tendremos que estudiar
qué es lo que va a suceder con los fibroblastos
que van a ser los que inmediatamente
asumiendo que se ha podido parar
la respuesta inflamatoria
van a ser los encargados de crear
la capa de tejido conjuntivo sobre el material
y aquí en esta transparencia
podría añadir diferentes tejidos funcionales
ya específicos de aquel
punto del organismo donde
se haya introducido la prótesis, por ejemplo
en el caso de una prótesis de hueso
se podría incluir tejido óseo especializado
cada uno de estos linajes celulares
que intervienen en todo el proceso
de reparación de la lesión
van a presentar una serie de receptores
muchos de ellos receptores
directamente en la membrana
y son estos receptores los que van a estar
por un lado, reconociendo aquellas proteínas
absorbidas sobre la superficie
y al mismo tiempo, en función de
aquello que reconozcan
y de si está en un estado nativo
o si está en un estado desnaturalizado
inducir, mandar una señal
al interior de la célula que es lo que va a hacer
que entre en una siguiente fase
que la célula haga alguna acción
básicamente una célula
en esta situación, puede
entrar en una de tres vías posibles
en primer lugar, la señal puede ser tal
que induzca la proliferación celular
la proliferación celular simplemente implica
que el número de células va a aumentar
vamos a crecer el tejido
que está desarrollandose
sobre la superficie del material
en el caso de la proliferación
o hablamos de la proliferación
cuando las células hijas
son idénticas a la célula madre
evidentemente una región
en la que inicialmente no hay células
el primer paso que tiene que dar es la
proliferación, el que aparezcan
un número suficiente de células
como para formar allí algún tipo de tejido
alternativamente a la proliferación
podemos tener la diferenciación
en este caso, lo que sucede es que
una de las células hijas
presenta una funcionalidad
diferente a la célula madre
y esto además se desarrolla con una jerarquía
que últimamente resulta incluso popular
con toda la introducción de las células madre
y células multipotentes
células que son capaces de generar
diferentes tipos de tejidos
esta generación de los tejidos
también está sujeta a diferente señalización celular
y así por ejemplo podemos empezar
con una célula primitiva
y a partir de esta célula primitiva
crear una célula con un cierto
grado de especialización
que es lo que aparece aquí indicado
como el fibroblasto
formador de colonias y a partir de esta célula CFC
se pueden generar todos estos linajes celulares
que como vemos, incluyen
las células de la sangre
células del hueso y del cartílago
células musculares
evidentemente, en función
del tejido que queramos reparar
tendremos que mandar las señales adecuadas
para que la diferenciación sea correcta
nuevamente, por seguir con el ejemplo del hueso
si queremos introducir una
prótesis de hueso para reparar
este tejido, lo que trataremos
es que el resultado de la
diferenciación sean osteocitos
Es importante señalar que
la proliferación y diferenciación
no solamente son procesos alternativos
sino que son procesos competitivos
de tal manera que, para que se pueda producir
la diferenciación, es necesario que
disminuya la proliferación celular
por contra, si la proliferación celular continúa
es un indicador de que no se está desarrollando
la diferenciación de manera adecuada
y finalmente, junto con la
proliferación y la diferenciación
la tercera vía, el tercer efecto
que puede tener sobre las células
la señalización de la superficie, es la activación
la activación simplemente implica
que sin haber ningún cambio
en la célula
no se produce la división
no se produce un cambio de linaje celular
simplemente se empiezan a producir
un determinado tipo de proteínas o de macromoléculas
como ejemplo
tengo aquí la activación de los linfocitos B
que son las células sanguineas encargadas
de la producción de anticuerpos
y lo que suceden es que cuando reciben
una señal adecuada
en este caso, a través de otra celula del sistema inmune
los linfocitos T
a la recepción de esta señal se produce la activación
del linfocito B, que tiene como consecuencia
el que empiecen a cumplir su función
que en este caso es
o bien, empezar con la producción
de anticuerpos para tratar de
hacer frente a alguna infección
o algún patógeno que tengamos
en el organismo, o bien
se pueden convertir en células de memoria
que son el objetivo de las vacunas
circulando en nuestro sistema sanguíneo
y dispuestas a actuar rápidamente
en caso de encontrarse con el patógeno adecuado
Con esto termina lo que es la presentación de los principios
y he dejado para la última sesión
de esta parte del curso, de este módulo del curso
la presentación de dos ejemplos donde se va a ver
yo creo que de manera bastante clara
cómo estos principios básicos
de funcionamiento se pueden emplear
a la hora de mejorar la biocompatibilidad de los mateiales
todavía estamos en un estadío muy de laboratorio
hay pocos desarrollos, pocos elementos que hayan
sido capaces de llegar a la clínica
pero como mostrarán los ejemplos
que veremos en la próxima sesión
hay un enorme campo
para avanzar en la mejora
de las propiedades de estos materiales
en relación con su interacción con el ser humano
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