Los implantes médicos pueden salvar vidas o mejorar significativamente la calidad de vida, pero para nuestro sistema inmunológico pueden parecer intrusos.

El bioingeniero de la Universidad de Rice, Omid Veiseh, y sus colaboradores han descubierto que la deposición de lípidos en las superficies de los implantes puede desempeñar un papel mediador entre el cuerpo y los implantes, con algunos lípidos actuando como pacificadores mientras que otros provocan conflictos.

« Aprendimos que a medida que las células inmunitarias se arrastran sobre un biomaterial implantado, dejan vesículas lipídicas que le indican al sistema inmunitario del huésped si los biomateriales deben ignorarse o aislarse del cuerpo », dijo Veiseh, profesor asistente de bioingeniería y prevención del cáncer de Rice. y académico del Instituto de Investigación de Texas.

Este conocimiento podría ayudar a los científicos a desarrollar biomateriales o recubrimientos para implantes que desvíen la agresión del sistema inmunitario del huésped, reduciendo las tasas de mal funcionamiento de dispositivos biomédicos como marcapasos, derivaciones de líquido cefalorraquídeo, stents coronarios, mallas quirúrgicas, bombas de administración de fármacos, biosensores y más.

El estudio se publica en Materiales Avanzados.

« Un problema importante en todos los implantes biomédicos es que el sistema inmunológico los ataca », dijo Christian Schreib, estudiante graduado de Rice y autor principal del estudio. « Esencialmente, los encapsula en una cápsula fibrótica que destruye su funcionalidad y hace que ya no funcionen ».

« Nuestro equipo pudo desarrollar una modificación química de la superficie que recluta preferentemente macrófagos que dejan una firma de vesícula lipídica de ‘no atacar’ que permite que los implantes existan en el cuerpo sin ser reconocidos como extraños », dijo Veiseh.

La fibrosis, o cicatrización, es la acumulación de exceso de tejido en el sitio de una lesión. La respuesta fibrótica a los implantes se ha asociado tradicionalmente con el depósito de proteínas en la superficie implantada.

« En nuestra investigación, nos dimos cuenta de que, si bien las proteínas son importantes, las moléculas de grasa también desempeñan un papel importante en el proceso fibrótico », dijo Schreib. « Identificamos dos perfiles de lípidos, ácidos grasos y fosfolípidos. Es más probable que los ácidos grasos provoquen una respuesta inmune, mientras que es más probable que los fosfolípidos pasen desapercibidos y no molesten al sistema inmunológico.

« Ahora que entendemos esto, podemos usar este conocimiento para diseñar materiales para su uso en implantes que tienen menos probabilidades de desencadenar una respuesta inmune. Podríamos, por ejemplo, diseñar un material que atraiga fosfolípidos, de modo que cuando implantes el material, los fosfolípidos se depositan naturalmente en él y lo ayudan a evadir el sistema inmunológico. También podríamos considerar tomar esas moléculas de grasa como los fosfolípidos y funcionalizarlos químicamente en la superficie del dispositivo antes de la implantación ».

Cuando se desencadena una respuesta inmunitaria en el cuerpo, las células inmunitarias se movilizan en el sitio de la lesión o intrusión. El mayor tráfico de células inmunitarias cerca del implante conduce a una mayor acumulación de tejido fibrótico.

« Es probable que una gruesa capa de células depositadas en el implante impida que funcione », dijo Schreib. « Pero si tiene una capa de lípidos a escala atómica, eso no afectará su funcionalidad en la misma medida ».

La optimización del rendimiento de los implantes es más crítica para los grupos de pacientes que confían en ellos para el tratamiento de enfermedades crónicas y potencialmente mortales, como la hidrocefalia, un trastorno que implica una acumulación excesiva de líquido cefalorraquídeo (LCR) en el cerebro. Para muchos pacientes, la única estrategia de manejo eficaz es la colocación de una derivación de LCR que desvía el exceso de líquido a una cavidad corporal diferente. Los pacientes pediátricos con hidrocefalia se enfrentan a tasas particularmente altas de fracaso de los implantes, que pueden provocar dolores de cabeza, vómitos, pérdida de la visión, lesiones cerebrales y la muerte si no se abordan rápidamente.

« Como neurocirujano pediátrico, es seguro decir que el mal funcionamiento de la derivación es la ruina de mi existencia », dijo el Dr. Brian Hanak, profesor asistente de neurocirugía en el Hospital Pediátrico de la Universidad de Loma Linda en California, quien es coautor del estudio. Si bien el mal funcionamiento de la derivación del LCR puede ocurrir en cualquier grupo de edad, las tasas de mal funcionamiento son mucho más altas en los niños pequeños. « La mayoría de los que trabajamos en este campo creemos que probablemente esté relacionado con el hecho de que el sistema inmunitario innato del cerebro está particularmente acelerado en los niños pequeños », dijo.

« En niños pequeños y bebés, las tasas de mal funcionamiento de la derivación están en el rango de 40% a 50% dos años después de la implantación. Francamente, me avergüenza implantar de forma rutinaria el dispositivo de soporte vital más propenso a fallas en la medicina moderna. Si Si desarrolla un marcapasos con una tasa de fallas del 40 % al 50 % a los dos años, nunca obtendría la aprobación de la Administración de Drogas y Alimentos de los EE.

Hanak dijo que muchos implantes cerebrales podrían beneficiarse de una respuesta inmunitaria innata reducida.

« Uno en particular que siempre me viene a la mente es la tecnología de interfaz cerebro-computadora », dijo. « Han pasado unos 20 años desde que tuvimos una prueba de concepto de que se puede implantar una matriz de microelectrodos en el cerebro de alguien y hacer que use esa matriz para controlar un brazo robótico.

« Podría preguntarse, si ese es el caso, ¿por qué esta tecnología no es algo que cada persona paralizada pueda usar para mejorar su independencia y calidad de vida? La razón es que la respuesta inmune montada en esos conjuntos de electrodos implantados les impide registrar actividad neuronal más allá de dos o tres años in vivo. Por el momento, con nuestro estado actual de tecnología, no es realmente una solución viable, ciertamente no es una solución a largo plazo para pacientes paralizados ».

Los Institutos Nacionales de Salud (R01 DK120459), la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (D20AC00002), la Beca de la Academia de la Universidad de Rice, la Autoridad de Equipos Compartidos en Rice y la Fundación Nacional de Ciencias (CBET1626418) apoyaron la investigación.