Hidrogeles: ¿Por qué son tan atractivos para la biomedicina?
Por su gran parecido con el tejido vivo han sido ampliamente utilizados en aplicaciones biomédicas que van desde el desarrollo de vendajes para cicatrización de heridas, prótesis, lentes de contacto e ingeniería de tejidos, hasta la administración y liberación sostenida de fármacos.
Un hidrogel es una red tridimensional basada en una estructura polimérica reticulada que se puede obtener tanto de polímeros sintéticos como naturales. Se han vuelto muy populares debido a sus propiedades únicas, como su alta capacidad para retener agua (pueden hincharse hasta miles de veces su peso seco), suavidad, flexibilidad y biocompatibilidad, lo que abre muchas oportunidades para aplicaciones en la biomedicina, como señala una revisión publicada recientemente en la revista Processes.
Según el tipo de enlace formado entre sus cadenas, los hidrogeles poliméricos se pueden clasificar como físicamente reticulados, si los enlaces cruzados entre las cadenas poliméricas se forman a través de fuerzas o interacciones atractivas, tales como uniones de hidrógeno o interacciones hidrofóbicas. Esta configuración permite que una vez transcurrida la transición (solución coloidal (sol)-gel) puedan experimentar la transición inversa (gel-sol) sin degradarse, es decir son reversibles. Si los enlaces formados son del tipo covalente, se clasifican como hidrogeles químicamente reticulados, los cuales son más estables e irreversibles, es decir, requieren degradación para volver a la fase sol inicial.
Los hidrogeles también se pueden clasificar según su sensibilidad a estímulos, tales como la luz, temperatura o el pH, se les conoce como “inteligentes” ya que exhiben una respuesta rápida a los estímulos del medio cambiando el grado de hinchazón. Otras clasificaciones incluyen la carga (no iónicas, catiónicas, aniónicas, anfóricas o zwitteriónicas), el tamaño (macro, micro y nanogeles) o el origen natural o sintético. Las diferentes propiedades de los hidrogeles son de interés para diferentes aplicaciones.
Debido a la naturaleza biocompatible, biodegradable y no tóxica, los hidrogeles naturales (provenientes de algas, crustáceos, microorganismos, tejidos humano o animal) son los que tienen más aplicaciones biomédicas potenciales. Según el tipo de polímero natural, existen tres tipos de hidrogeles: a base de proteínas, a base de polisacáridos y poliéster natural. Los hidrogeles naturales son altamente atractivos para la ingeniería de tejidos debido a su similitud funcional y estructural con el tejido blando del cuerpo humano.
El uso de hidrogeles en la reparación y regeneración de tejido cardíaco se ha estudiado ampliamente, de especial interés son la capacidad para apoyar la adhesión celular y el crecimiento, como soportes estructurales/mecánicos para mantener las células en su lugar, promotores de la vascularización, para la distribución de moléculas pequeñas para mejorar la función cardíaca, en el trasplante de células y en la fabricación de parches cardíacos.
Los hidrogeles biocompatibles a base de proteínas también tienen el potencial de servir como un sistema de administración y liberación sostenida de medicamentos. La administración de fármacos convencionales a menudo requiere dosis altas o administración repetida para estimular un efecto terapéutico, lo que puede reducir la eficacia general y el cumplimiento del paciente, dando lugar a efectos secundarios graves e incluso toxicidad. Las múltiples propiedades de los hidrogeles permitirían proteger (encapsular), dirigir y entregar localmente medicamentos de una manera controlada, por esto durante las últimas décadas, la investigación para el desarrollo de sistemas de administración de fármacos de hidrogel ha experimentado un aumento sostenido, con más de 800 artículos publicados en revistas indexadas en los últimos 5 años.
De especial interés son los inhibidores de la calcineurina, en particular la ciclosporina (CsA) y el tacrolimus (TAC), dos importantes medicamentos inmunosupresores prescritos en trasplantes de órganos. Aunque estos medicamentos se han utilizado desde hace más de 50 años para aumentar significativamente la supervivencia de los órganos trasplantados, generan efectos secundarios indeseables, principalmente debido a sus concentraciones altamente variables. De hecho, inhibidores de la calcineurina conducen a toxicidades agudas y crónicas que causan principalmente efectos adversos como hipertensión y nefrotoxicidad. Las recientes investigaciones indican que la encapsulación de inhibidores de la calcineurina en hidrogeles poliméricos a base de polisacáridos, específicamente alginato (polisacárido aniónico presente ampliamente en las paredes celulares de las algas marinas), ofrece una administración eficaz de fármacos con una respuesta inmunosupresora estable a niveles in vitro e in vivo, ayudando a reducir la toxicidad, mejorando la adherencia de los pacientes y los resultados terapéuticos, lo que puede conducir a un cambio de paradigma en la terapia inmunosupresora clínica en cirugía de trasplante.
La amplia gama de aplicaciones de los hidrogeles, que van desde la industria alimentaria, aplicaciones agrícolas, la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos en el campo, a disparado la investigación y con ello un mercado mundial de hidrogeles que se prevé alcance los 15.300 millones de dólares en EE.UU. en 2025.
Referencia
Sandoval, Claudia & Escobar, Leslie & Amador, Cristián. (2020). The Advantages of Polymeric Hydrogels in Calcineurin Inhibitor Delivery. Processes. 8. https://doi.org/10.3390/pr8111331