Propiedades biológicas, mecánicas y ópticas de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología

FACULTAD DE CIENCIAS Grado en Óptica y Optometría MEMORIA TRABAJO FIN DE GRADO TITULADO Propiedades biológicas, mecánicas y ópticas de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología. Presentado por: Miriam Regaliza Tejedo Tutelado por: Patricia Gallego Muñoz Tipo de TFG: Revisión Investigación En Valladolid, a 25 de mayo del 2021 Regaliza M Propiedades de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología 2 ÍNDICE RESUMEN ......................................................................................................... 3 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 4 2. METODOLOGÍA .......................................................................................... 5 2.1 Métodos de análisis de datos. ................................................................... 5 2.2 Criterios de inclusión / exclusión. .............................................................. 5 2.3 Estrategia de búsqueda ............................................................................ 5 3. OBJETIVOS ................................................................................................. 6 3.1 Objetivo principal ....................................................................................... 6 3.2 Objetivos secundarios ............................................................................... 6 4 JUSTIFICACIÓN .......................................................................................... 7 5 RESULTADOS ............................................................................................ 8 6 DISCUSIÓN ................................................................................................. 9 6.1 Propiedades de la fibroína de seda que la hacen un buen biomaterial ..... 9 6.1.1 Biocompatibilidad ................................................................................ 9 6.1.2 Propiedades mecánicas. ................................................................... 10 6.1.3 Biodegradabilidad ............................................................................. 12 6.1.4 Propiedades ópticas ......................................................................... 12 7 CONCLUSIONES ...................................................................................... 16 8 BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................... 17 Regaliza M Propiedades de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología 3 RESUMEN Cuando se produce un daño corneal grave, el trasplante de córnea o queratoplastia, es la opción más habitual para su reparación, pero la demanda de córneas procedentes de donantes está muy por encima de su disponibilidad. Esto hace necesario que se planteen alternativas para reemplazar el tejido procedente de donantes. En los últimos años, la ingeniería tisular ha cobrado mucha importancia como alternativa en reparación corneal. Para ello, se están utilizando nuevos biomateriales que favorezcan este proceso. Entre ellos, destacan los polímeros de fibroína por sus excelentes propiedades, siendo estas la buena resistencia a la tracción, procesamiento rápido y económico, fácil manejo, alta disponibilidad, biocompatibilidad, biodegradabilidad y una de las más importantes, la transparencia. Todas estas propiedades hacen a la fibroína de seda un biomaterial potencialmente implantable para sustituir o reparar el tejido corneal dañado, ya que se ha demostrado que es compatible con una córnea sana, explorando su potencial como andamio o matriz, destacando por su gran biocompatibilidad, ausencia de citotoxicidad; biodegradabilidad, propiedades mecánicas y su transparencia óptica en todo el rango de luz visible. ABSTRACT When severe corneal damage occurs, corneal transplantation or keratoplasty is the most common option for repair, but the demand for donor corneas far exceeds their availability. This makes it necessary to consider alternatives to replace donor tissue. In recent years, tissue engineering has become very important as an alternative in corneal repair. New biomaterials are being used to support this process. Among them, fibroin polymers stand out for its excellent properties, such as good tensile strength, fast and economical processing, easy handling, high availability, biocompatibility, biodegradability and one of the most important, its transparency. All these properties make silk fibroin a potentially implantable biomaterial to replace or repair damaged corneal tissue, as it has been shown to be compatible with a healthy cornea, exploring its potential as a scaffold or matrix, standing out for its high biocompatibility, absence of cytotoxicity, biodegradability, mechanical properties, and its optical transparency in the entire range of visible light. Regaliza M Propiedades de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología 4 1. INTRODUCCIÓN El gusano Bombyx mori (B.mori), realiza la metamorfosis para transformarse en polilla encerrándose en un capullo que construye con su saliva y que al solidificarse se transforma en seda siendo el principal productor de este material.1-3 La seda está formada por dos proteínas, fibroína y sericina. La fibroína tiene la forma de dos fibras paralelas, que permanecen unidas por un recubrimiento de sericina.2 La fibroína de seda (FS), es la principal proteína de la fibra de seda, y representa el 70-80% de su peso. Para obtener la fibroína, ha de eliminarse la sericina mediante un proceso denominado desgomado, obteniendo fibras de fibroína de aspecto brillante y suaves.1, 3 Además de usarse como un valioso material textil, es un atractivo biomaterial 3, 4, que se utiliza en distintos campos como, biomedicina (ingeniería de tejidos), farmacología (liberación controlada de fármacos), óptica y generación de dispositivos de detección y diagnóstico (desarrollo de detectores de concentraciones moleculares en determinadas patologías) 2, 3, ya que está dotada de unas excelentes propiedades, como la fuerza, dureza, resistencia mecánica, biocompatibilidad, estabilidad térmica y biodegradabilidad.3-5 Sus excelentes propiedades mecánicas hacen que presente una gran resistencia a la rotura. Esta propiedad está muy relacionada con su estructura molecular, formada por una cadena pesada (H) y una cadena ligera (L), unidas entre sí por un único enlace disulfuro, formando así el complejo H-L.3 La buena resistencia, extensibilidad y elasticidad de la seda, además del endurecimiento por tensión, proporcionan una gran ventaja para desarrollar biomateriales.3-5 Otra de sus principales propiedades es su buena biocompatibilidad con diversos tipos celulares, ya que promueve la adhesión, proliferación y crecimiento celular 3, 4. También la funcionalidad de la superficie, que abarca desde cambios físicos en la superficie como por ejemplo rugosidad e hidrofobicidad que modulan la adhesión celular, hasta la activación de cascadas bioquímicas, que regulan la proliferación, diferenciación y supervivencia celular.3-5 Las características o propiedades de los diferentes biomateriales basados en fibroína de la seda van a depender del método de polimerización de cada biomaterial, y que a su vez dependerá de la aplicación para la cual se desarrollen. La fibroína presenta una gran versatilidad, ya que puede polimerizarse en diversas morfologías como hidrogeles, películas, esponjas, micropartículas y fibras hiladas electrónicamente y en húmedo.3-5 Esta diversidad de métodos de polimerización ofrece un gran abanico de aplicaciones, las cuales serán detalladas en la discusión de la presente revisión bibliográfica.3, 5 Esta revisión se centra en analizar las diferentes propiedades de los polímeros basado sen fibroína y sus aplicaciones a nivel ocular, concretamente en la córnea. Regaliza M Propiedades de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología 5 2. METODOLOGÍA La metodología escogida para este trabajo es una revisión bibliográfica. En este trabajo se abordará conocer las propiedades que tienen los diferentes polímeros basados en fibroína para ser utilizados como biomateriales, centrándonos sobre todo en sus aplicaciones en la córnea. 2.1 Métodos de análisis de datos. Se han consultado diferentes fuentes, para poder seleccionar los artículos científicos relacionados con las propiedades de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología. La búsqueda bibliográfica se realizó desde octubre de 2020 hasta mayo de 2021. Las bases de datos utilizadas han sido Elsevier, Pubmed, Lilac, Scielo y Wiley Online Library. Las palabras clave para llevar a cabo las distintas búsquedas en las diferentes bases de datos, han sido: “Silk fibroin”, “Silk fibroin biomaterials”, “Properties of silk fibroin”, “Tissue engineering”, “Scaffold”, “Silk”, “Sericin”, “Biomaterials”, “Biomedical applications” and “Biomaterials in corneal repair”, “Silk fibroin and optic” and “Silk fibroin and ophthalmology”. 2.2 Criterios de inclusión / exclusión. En este trabajo de revisión bibliográfica, se han marcado una serie de criterios de inclusión y exclusión a tener en cuenta: Criterios de inclusión: - Artículos en español e inglés. - Artículos gratuitos o accesibles a través de la plataforma de la UVa. - Artículos publicados entre 2003 y 2021 - Artículos de texto completo. Criterios de exclusión: - Artículos no disponibles a texto completo. - Artículos que no cumplan los criterios de inclusión descritos anteriormente. - Artículos que no hablen ni hagan referencia sobre la fibroína de seda. 2.3 Estrategia de búsqueda Tras la búsqueda realizada en las bases de datos citadas anteriormente, se procedió a la lectura de los títulos de los resultados obtenidos, seleccionando los que tuvieran un título acorde con “Propiedades de los polímeros basados en fibroína para su uso en oftalmología”. De estos, se leyó su resumen, y se descartaron aquellos considerados no relevantes, y/o con poca aportación para el estudio. Regaliza M Propiedades de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología 6 A continuación, se procedió a la lectura completa de cada uno de los artículos encontrados, y se seleccionaron valorando los criterios de inclusión y exclusión. Finalmente, se utilizaron un total de 35 artículos para el trabajo. 3. OBJETIVOS 3.1 Objetivo principal -Analizar y comparar diferentes estudios sobre las propiedades que tienen los biopolímeros basados en fibroína para su aplicación en oftalmología. 3.2 Objetivos secundarios - Analizar la biocompatibilidad que presentan los polímeros basados en fibroína para su aplicación corneal. - Analizar las propiedades mecánicas que tiene los polímeros basados en fibroína para su aplicación corneal. - Analizar la biodegradabilidad de los polímeros basados en fibroína para su aplicación corneal. - Analizar las propiedades ópticas de los polímeros basado en fibroína para su aplicación corneal. Regaliza M Propiedades de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología 7 4 JUSTIFICACIÓN La córnea es la parte anterior y transparente del globo ocular. Su transparencia es fundamental para que la luz pueda atravesarla y posteriormente focalizarse en la retina. Al ser la parte más anterior del globo ocular, es también la más expuesta al medio ambiente y por ello también a diferentes tipos de daños y agentes infecciosos. Las enfermedades corneales representan la quinta causa de ceguera a nivel mundial y, al menos 2 mil millones de personas en todo el mundo sufre algún tipo de discapacidad visual o ceguera. Dentro de los casos de discapacidad visual, casi 4 millones son debidos a opacidades corneales no tratadas o que podían haber sido prevenidas. El reemplazo o la reconstrucción de un tejido dañado depende de una serie de procesos biológicos que acontecen durante la cicatrización y de las posibilidades terapéuticas existentes.6 Cuando se produce un daño corneal grave, el trasplante de córnea o queratoplastia (total o parcial), es la opción más habitual para la sustitución o reparación del tejido corneal dañado, pero la demanda de córneas es muy superior a su disponibilidad y, por lo tanto, es necesario buscar alternativas al trasplante. 4, 7-10 Además, se ha demostrado que, aunque la tasa de rechazo del trasplante de córnea es inferior al 10%, aumenta continuamente con el tiempo.10 Todo esto hace que se planteen nuevas alternativas al tejido procedente de donantes. En los últimos años el campo de la ingeniería tisular ha cobrado una gran importancia como alternativa en regeneración corneal en busca de tratamientos eficaces alternativos a los trasplantes de córnea.4, 7, 8, 10 Entre ellas destaca el desarrollo de nuevos biopolímeros o biomateriales que sustituyan al tejido corneal o favorezcan la regeneración corneal tras un daño grave.4, 8 Entre los biomateriales que se están utilizando, destacan los polímeros desarrollados a partir de fibroína de seda por sus diferentes propiedades en las cuales se basa este trabajo de revisión bibliográfica. Regaliza M Propiedades de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología 8 5 RESULTADOS Se han encontrado 459 artículos en las bases de datos citadas anteriormente, poniendo las palabras clave para su búsqueda, de los cuales 52 fueron seleccionados por tener un título acorde con el tema del estudio. Se procedió a la lectura del resumen de cada uno de los artículos seleccionados, y a continuación se hizo una criba de aquellos que no tenían relación con el objetivo de este trabajo. En total se utilizaron 33 artículos para su discusión. Tabla 1. Resultados. Artículos del estudio. Bases de datos Resultados obtenidos Resultados seleccionados Artículos duplicados de los seleccionados Artículos utilizados PubMed 128 26 8 22 Elsevier 297 14 5 4 Lilacs 5 2 1 0 SciELO 17 3 1 2 Wiley Online Library 13 7 2 5 Regaliza M Propiedades de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología 9 6 DISCUSIÓN La ceguera corneal, es una de las causas más comunes de pérdida de visión en todo el mundo y afecta a millones de personas. Para tratar a estos pacientes, se ha investigado y examinado, y se sigue haciendo, con distintos enfoques para diseñar andamios corneales que mimetizan la estructura corneal basándose en la aplicación de diferentes biomateriales. 9-11 En este contexto, el campo de la ingeniería tisular ofrece el potencial de diseñar y desarrollar implantes que se pueden utilizar posteriormente para reemplazar el tejido corneal gravemente dañado o ayudar a su reparación. En este contexto, se han desarrollado diferentes tipos de andamiajes a partir de materiales biocompatibles para sustituir una parte o la totalidad de la córnea en función de las necesidades el paciente.9, 11 Entre estos materiales más usados en oftalmología destacan el colágeno, la fibroína de seda, la fibrina, el quitosano, la membrana amniótica, el alginato, la agarosa, el ácido hialurónico y la gelatina, además de varios polímeros sintéticos.8, 11, 12 A la hora de seleccionar el biomaterial, hay que tener en cuenta una serie de propiedades, como la resistencia mecánica, la biocompatibilidad, biodegradabilidad y las características ópticas como la transparencia, ya que estas lo harían un material ideal coincidiendo con las propiedades del tejido in vivo.3 ,4, 8-11 Todas estas propiedades las cumple la fibroína de seda, por lo que se está estudiando como biomaterial potencialmente implantable, ya que tiene una buena resistencia a la tracción, procesamiento rápido y económico, fácil manejo, alta disponibilidad, biocompatibilidad, biodegradabilidad y transparencia.3, 4, 8, 12, 13 6.1 Propiedades de la fibroína de seda que la hacen un buen biomaterial 6.1.1 Biocompatibilidad Una de las características principales de un biomaterial ha de ser su biocompatibilidad con el tejido receptor, ya que no debe desencadenar una reacción tóxica o inflamatoria. Cada vez más, la seda se está utilizando para desarrollar soportes o andamios sobre los que crezcan diferentes tipos celulares, por lo que la biocompatibilidad es fundamental para garantizar su supervivencia tras su implantación. Diferentes estudios indican que la seda, debidamente desgomada y esterilizada, tiene una buena biocompatibilidad.4, 11 Estudios como el realizado por Banani Kundu y cols. (2013), indican que la presencia de forma conjunta de la fibroína y sericina resulta inmunogénica, por lo que es importante eliminar la sericina en el proceso de obtención de la fibroína.4 Santin y cols. en 1999,14 comprobaron in vitro que las membranas de fibroína producían un nivel más bajo de activación de macrófagos que otros materiales como el poliestireno y el poli 2-hidroxitil metacrilato en plasma humano. Regaliza M Propiedades de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología 16 7 CONCLUSIONES La fibroína de seda polimerizada en forma de diferentes biomateriales, como películas, membranas, hidrogeles o esponjas, ha demostrado ser un biomaterial con un gran potencial por sus increíbles características adecuadas para la ingeniería de tejidos, en este caso en la córnea. Sus excelentes propiedades como la biocompatibilidad, biodegradación, propiedades mecánicas y transparencia, hacen a la fibroína de seda un biomaterial que ha adquirido gran relevancia en estos últimos años, ya que se ha demostrado que es compatible con una córnea sana. Todos los estudios mostrados, demuestran como los biomateriales basados en fibroína de la seda favorecen el crecimiento de los diferentes tipos celulares corneales (células epiteliales, estromales y endoteliales), la proliferación, diferenciación, y su estratificación, conservando el fenotipo característico en cada caso, y regenerando la parte de la córnea afectada. Se ha demostrado que la fibroína de seda se puede combinar con otros biomateriales, para mejorar aún más las propiedades y favorecer en sus aplicaciones, como por ejemplo, el quitosano, que se usa ampliamente en aplicaciones oftálmicas debido a su biodegradabilidad y biocompatibilidad; el tripéptido RGD, que aumenta la adhesión de las células epiteliales de la córnea y fibroblastos; el ácido lisofosfatídico (LPA) para mantener y aumentar la función específica de las células endoteliales de la córnea; el polietilenglicol (PEG), que junto con la fibroína de seda muestran un potencial significativo como sustrato para el crecimiento de las células epiteliales corneales y puede sustituir a la membrana amniótica. Finalmente, se ha demostrado que la fibroína de seda tiene unas excelentes propiedades que ayudan a reparar la superficie corneal y que son esenciales para que sea un biomaterial ideal, siendo su capacidad para promover el crecimiento celular; su biocompatibilidad provocando una respuesta mínima inflamatoria tras su implante, no es citotóxica; su biodegradabilidad; la buena resistencia a la tracción y su fácil manejo, destacando su transparencia óptica en todo el rango visible. Regaliza M Propiedades de los polímeros de fibroína para su uso en oftalmología 17 8 BIBLIOGRAFÍA 1. García-lópez MC, Chan-navarro R, Lara-cerón JA. Fibroína y sericina de capullos de Samia cynthia ricini drury, 1773 (lepidoptera: saturniidae) y Bombyx mori linnaeus, 1758 (lepidoptera: bombycidae), y tinción intrínseca de larvas con compuestos de estaño. Entomol Mex. 2016;3:136–41. 2. Rios Osorio AD, Alvarez-Lopéz C, Cruz Riaño LJ, Restrepo-Osorio A. 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