RevisiónBiomoléculas derivadas de biomateriales

Las biomoléculas son fundamentales para todas las formas de vida, incluidos los microorganismos, las plantas y los animales, debido a su estructura y función únicas, responsables de la reproducibilidad, la sostenibilidad y la mortalidad. Los monómeros, los oligómeros y las macromoléculas, como los aminoácidos, los péptidos, las proteínas, las nucleobases, los nucleótidos, los oligonucleótidos, los ácidos nucleicos (ADN/ARN), los monosacáridos, los oligosacáridos, los polisacáridos y los lípidos, son los principales componentes básicos de la vida , , ]. Se cree que los componentes moleculares de la vida se han transformado progresivamente en su estructura molecular actual a lo largo de miles de millones de años a través del proceso de evolución para alcanzar las propiedades de reconocimiento molecular altamente sofisticadas que se observan hoy en día. La intrigante propiedad de reconocimiento molecular de las biomoléculas es vital para mantener la estructura y la actividad funcional de todos los organismos vivos. Uno de los fascinantes atributos de las biomoléculas es su capacidad de organización jerárquica para producir sistemas y materiales biológicos rígidos y flexibles. Por ejemplo, biomacromoléculas como el colágeno, la queratina y la elastina pueden formar conjuntos funcionales, la gelatina forma geles robustos y consumibles, la seda forma fibras de alta resistencia (amiloide funcional) y geles, mientras que algunos péptidos y proteínas producen estructuras amiloides tóxicas causantes de enfermedades. Las notables interacciones inter e intramoleculares impulsadas por el reconocimiento molecular y la organización de las biomoléculas son cruciales para la formación de materiales biológicos . Este poder ejemplar de las biomoléculas y sus materiales biológicos ha sido la fuente de inspiración de los químicos de materiales y los biólogos para desarrollar nuevos marcos biomateriales . Las intrigantes propiedades químicas, biológicas y mecánicas de las biomoléculas desempeñan un papel importante en la fabricación de nuevos biomateriales, ya sea por procesamiento directo o en combinación con materiales sintéticos.

La ubicua sinergia e interacción de las biomoléculas son importantes para mantener la fidelidad de la vida. Las discrepancias derivadas de cualquier tipo de enfermedad o traumatismo podrían perturbar la interrelación entre las biomoléculas dentro del sistema de la maquinaria viva. La deformación estructural o los daños en los tejidos y órganos pueden causar innumerables discapacidades y enfermedades humanas. La principal limitación es que el cuerpo humano no puede autorregenerar la mayoría de sus órganos si se ven comprometidos en condiciones fisiológicas adversas. En este contexto, el uso de materiales derivados de biomoléculas en forma de implantes permanentes o sustitutos regenerativos de los tejidos y órganos afectados es muy solicitado en las ciencias biomédicas. La transformación de biomoléculas en materiales de importancia biomédica asegura la biocompatibilidad e imita el entorno in vivo del cuerpo humano para desencadenar los procesos de curación. Estos materiales derivados de biomoléculas o sus combinaciones con materiales sintéticos para su uso en aplicaciones biomédicas se denominan biomateriales derivados de biomoléculas.

Los biomateriales derivados de biomoléculas pueden diseñarse para adoptar diversas formas que, solas o como parte de un sistema complejo, se utilizan para interactuar con componentes de sistemas vivos y se prevé que generen efectos diagnósticos o terapéuticos en medicina humana o veterinaria. Los biomateriales necesarios para diversas aplicaciones biomédicas pueden derivarse de materiales naturales o sintéticos, mientras que los híbridos de ambos tipos de materiales son muy comunes debido a la capacidad única de mejorar las propiedades químicas, biológicas y mecánicas. La organización jerárquica de los materiales biológicos abarca grandes escalas de longitud, desde la molecular, la nano y la micro hasta la macroescala. La arquitectura jerárquica inherente a los materiales biológicos influye en sus funciones en diversos tipos de tejidos y órganos del cuerpo humano. Debido a su naturaleza biológica inherente, los sistemas materiales derivados de biomoléculas ofrecen innumerables ventajas, como la biocompatibilidad, el reconocimiento biomolecular, la capacidad de respuesta a los estímulos biológicos y la flexibilidad para ajustarse en el complejo y heterogéneo entorno bioquímico. A pesar de presentar buenas propiedades de los materiales, como la resistencia mecánica, la rigidez y la durabilidad, las aplicaciones biomateriales de los materiales sintéticos adolecen de una pobre biocompatibilidad, que es la responsable del rechazo de los materiales por parte del cuerpo humano. El rechazo de los materiales es una de las principales preocupaciones en el desarrollo y uso de biomateriales, que puede superarse incorporando adecuadamente biomoléculas con biomateriales sintéticos para generar materiales híbridos con características estructurales, funcionales y de biocompatibilidad superiores. De hecho, las herramientas e implantes derivados de materiales biológicos eran omnipresentes en la práctica clínica en la antigüedad. Por ejemplo, los corales y las maderas se utilizaban como implantes dentales, mientras que las fibras de seda se empleaban como suturas. Sin embargo, el uso antiguo de materiales biológicos carecía de un diseño sofisticado y de la ingeniería de precisión que se observa en el diseño y las aplicaciones de los biomateriales modernos. La celulosa, la queratina, el colágeno y la seda son materias primas biológicas de fácil acceso con propiedades materiales fascinantes, que constituyen una parte importante de la investigación de biomateriales debido a las propiedades químicas, biológicas y mecánicas favorables que se requieren para el procesamiento y la fabricación de biomateriales (Fig. 1).

En las últimas décadas, los avances en la investigación biomédica han hecho posible el diseño y la fabricación de biomateriales derivados de biomoléculas. El procesamiento en solución y la modificación de biomoléculas o su integración con otros materiales naturales y sintéticos conducen a la asimilación de diversas propiedades químicas, físicas, mecánicas y biomiméticas para generar sistemas y dispositivos de biomateriales clínicamente sensibles . El siglo XX ha sido testigo de notables innovaciones en el desarrollo de materiales funcionales artificiales con potenciales aplicaciones en biomedicina y tecnologías médicas . La continua atención a la explotación de los materiales artificiales en la medicina clínica pone de relieve la necesidad de incorporar biomoléculas para mejorar sus características biomiméticas (Fig. 2). En este contexto, la optimización de las características estructurales y funcionales de los biomateriales híbridos derivados de la interconexión de biomoléculas y materiales sintéticos resulta esencial para mejorar su eficacia terapéutica. De hecho, la integración de biomoléculas con materiales sintéticos conduce a la asimilación de características funcionales duales, es decir, características biológicas y propiedades de los materiales, dentro de los sistemas biomateriales derivados. Los recientes avances en el diseño de biomateriales han permitido la inclusión de innumerables funcionalidades químicas y biológicas en los sistemas sintéticos e híbridos para mejorar su relevancia funcional y su biocompatibilidad con el entorno celular y tisular. El progreso de la ciencia y la tecnología biomédicas ha llevado a la acumulación de amplios conocimientos sobre los entornos in vitro e in vivo, lo que ha permitido a los investigadores adoptar la fidelidad en el diseño por encima de los enfoques empíricos para desarrollar nuevos biomateriales mediante estrategias innovadoras que imitan el entorno extra e intercelular de los tejidos y los órganos (Fig. 3). El diseño y la fabricación de biomateriales suelen implicar la selección de un material natural o sintético adecuado y el procesamiento del material elegido en el formato requerido con las propiedades mecánicas apropiadas empleando transformaciones químicas y mecánicas biocompatibles. La fabricación de biomateriales debe cumplir los siguientes criterios: i) la arquitectura completa del diseño debe ser de naturaleza altamente biocompatible y promover la adhesión y el crecimiento celular requeridos, además de una buena viabilidad celular, ii) acelerar la difusión de pequeñas moléculas, metabolitos o nutrientes dentro de la célula o el tejido, iii) evitar la invasión o la migración hacia el exterior de especies reactivas, iv) no debe inducir una respuesta inflamatoria, teratogenicidad o cualquier efecto adverso para la salud, v) poseer una estabilidad plasmática química y biológica prolongada, vi) presentar una cinética de degradación excelente y requerida, y vii) facilitar la caracterización in vivo .

El éxito de los biomateriales derivados de biomoléculas depende predominantemente del mantenimiento de la integridad estructural y funcional de las biomoléculas dentro del sistema o dispositivo fabricado, seguido de su utilización biomédica eficaz. Todo el proceso de interacción del biomaterial derivado de la biomolécula con la célula o el tejido y la respuesta resultante constituye el sistema de tríada de la ingeniería de tejidos, en el que las biomoléculas actúan en sinergia como bloques de construcción estructurales de la célula y conjugados funcionales de los materiales para imitar la relación estructura-función de los sistemas biológicos naturales. En este contexto, el conocimiento previo de la relación estructura-función de las biomoléculas, por ejemplo, la información sobre las estructuras primarias, secundarias, terciarias y cuaternarias de las proteínas es crucial para utilizarla eficazmente en la fabricación de un biomaterial específico . Las biomoléculas presentan diferentes características químicas y físicas y responden de forma distinta a los estímulos del entorno, por lo que es crucial comprender la estructura y la química de las biomoléculas en solución, en estado sólido y en la interfaz. En los sistemas biológicos, las biomoléculas presentan una capacidad de reconocimiento e interacción molecular sin precedentes para controlar el comportamiento y la actividad celular. La integración de las biomoléculas en el marco del diseño de biomateriales incluye predominantemente la explotación de estos rasgos característicos para interrogar a las células y al entorno in vivo en condiciones de lesión o enfermedad. La incorporación de biomoléculas integra características de biocompatibilidad y optimiza las interacciones in vivo al entrar en contacto con el tejido o el órgano de forma sensible. Sin embargo, las complejidades estructurales inherentes y el origen biológico de las biomoléculas pueden instigar respuestas biológicas naturales no deseadas del organismo que pueden dificultar su traducción clínica. Por lo tanto, es necesario abordar las preocupaciones relacionadas con la inestabilidad química y biológica, la respuesta inmune y el rechazo natural, la rentabilidad, las complicaciones en el diseño y otras cuestiones reglamentarias . Además, la integración sinérgica de las propiedades de los materiales biológicos y sintéticos a través de diseños simples, rentables, minimalistas y guiados por el estudio de la relación estructura-función es necesaria para producir nuevos biomateriales con aplicaciones potenciales.

Con la llegada de las modernas técnicas de caracterización, el control sobre la propiedad estructura-función de los biomateriales ha mejorado en los últimos tiempos . Además, la necesidad de integrar biomoléculas con sistemas de materiales sintéticos para lograr composiciones químicas superiores, organizaciones jerárquicas más ordenadas y características biomiméticas en un biomaterial es ahora más evidente que nunca. El diseño y la fabricación de biomoléculas se guían por interacciones covalentes y no covalentes, según el tipo de material y la aplicación. En la naturaleza, los ensamblajes tridimensionales (3D) de las biomoléculas dependen principalmente de la secuencia de monómeros mediada por enlaces covalentes. Posteriormente, las estructuras de orden superior con distintos niveles de complejidad y funcionalidades de respuesta de los sistemas biomoleculares se ensamblan dentro de una construcción definida mediante un proceso de ensamblaje molecular dinámico impulsado por interacciones no covalentes. En este sentido, la ingeniería y la fabricación de biomoléculas para convertirlas en biomateriales de interés deben tener en cuenta la combinación adecuada de la rigidez de la conformación que surge de las modificaciones covalentes, así como la flexibilidad y la relevancia funcional que se obtiene de los procesos de ensamblaje de múltiples componentes. Para superar las limitaciones translacionales, se han desarrollado herramientas avanzadas y de alto rendimiento, como la aparición de materiales con memoria de forma o que responden a estímulos, microarrays, micro y nanofabricación y técnicas litográficas, para generar biomateriales inteligentes bien definidos topográfica y funcionalmente. La bioingeniería es otra área de investigación sofisticada y avanzada para alterar y adoptar la maquinaria biomolecular natural para la síntesis de biopolímeros naturales y modificados . Hay varios microorganismos naturales y modificados que actúan como biomaquinaria viva o fábrica para sintetizar varios poliésteres y poliamidas biopoliméricos . Por ejemplo, la familia de bacterias grampositivas Bacillus species y las bacterias gramnegativas Fusobacterium nucleatum se utilizan para sintetizar ácido poliglutámico en presencia de la enzima poli-glutámico sintetasa. Del mismo modo, los poliésteres polihidroxialconatos son sintetizados por varias bacterias y arqueas . En este contexto, la ingeniería genética tiene el potencial de producir una variedad de biopolímeros con propiedades a medida.

Junto con las tecnologías de alto rendimiento y la ingeniería genética, las técnicas de secuenciación y de imagen de próxima generación han ampliado el alcance como herramientas de caracterización para examinar el comportamiento celular al interactuar con los biomateriales . En este contexto, los materiales con memoria de forma o que responden a estímulos son especialmente interesantes, ya que pueden adoptar diferentes conformaciones geométricas en respuesta a estímulos externos como el pH, la temperatura o la luz. Estos materiales pueden adoptar inicialmente una forma temporal y posteriormente transformarse en una forma o geometría diferente en respuesta a cambios en los estímulos externos. La característica de alteración de la forma de estos materiales es beneficiosa en las cirugías mínimamente invasivas o en las laparoscopias en las que la implantación del biomaterial está asociada a cambios estimulados por la temperatura que dan lugar a la transición del material a estructuras más biomiméticas después de la implantación. La micro y nanofabricación de biomoléculas para la creación de microchips, microagujas o biosensores son útiles para aplicaciones in vitro e in vivo que implican bioensayos de alto rendimiento, biodetección, cultivo y diferenciación celular, entrega y terapia. Estas tecnologías han enriquecido el campo de los biomateriales al combinar los enfoques multidisciplinarios que abarcan los campos de la ingeniería, la ciencia de los materiales, la química, la biotecnología y la medicina. El diseño de biomateriales de próxima generación depende específicamente de la ingeniería controlada y de precisión de los materiales para lograr una mayor exactitud en términos de estructura, propiedades y funciones, que dependen en gran medida de los materiales derivados de biomoléculas. En el proceso de fabricación de materiales derivados de biomoléculas, es de suma importancia mantener la relación estructura-función de las biomoléculas tras su transformación en biomateriales.

Este artículo de revisión está organizado en diferentes secciones basadas en el tipo de biomolécula empleada para fabricar biomateriales que incluyen una sección especial sobre sus aplicaciones. En general, presentamos al lector ejemplos seleccionados y representativos de diversas clases de biomoléculas derivadas de biomateriales con potenciales aplicaciones biomédicas que van desde el diagnóstico, la eficacia antimicrobiana, la terapéutica contra el cáncer, la medicina regenerativa hasta la administración de fármacos y la ingeniería de tejidos. El debate se dirige a diseños y aplicaciones realistas de los biomateriales en los que las biomoléculas integradas desempeñan papeles cruciales más allá de sus funciones específicas. La cobertura y la discusión se centran en diferentes estrategias de diseño que utilizan varias biomacromoléculas como proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos para la fabricación de biomateriales inteligentes. Además, se describen enfoques minimalistas o reduccionistas en los que se utilizan oligómeros y bloques de construcción básicos (monómeros) de biomacromoléculas como péptidos, peptidomiméticos, oligonucleótidos, oligosacáridos, ácidos grasos, aminoácidos, nucleótidos, azúcares y sus combinaciones para producir biomateriales que imiten los sistemas naturales. La discusión se organiza sistemáticamente de manera que los biomacromoléculas se describen en secciones dedicadas a los biomateriales derivados de proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos. En cada sección, se discuten los enfoques reduccionistas para diseñar y fabricar biomateriales empleando oligómeros o bloques de construcción básicos (monómeros) de las biomacromoléculas. El objetivo principal de este artículo es presentar informes significativos de la literatura en un esfuerzo por proporcionar una percepción encantadora de los biomateriales derivados de biomoléculas. Además, hay un puñado de ejemplos cruzados en los que se emplean dos o más tipos de biomoléculas junto con moléculas y materiales sintéticos para diseñar biomateriales que se incluyen en la sección de biomateriales híbridos. Se presenta un debate profundo y crítico sobre el diseño, la fabricación y las aplicaciones de los biomateriales derivados de biomoléculas, considerando ejemplos adecuados e importantes de cada tipo de biomolécula. Por último, en la sección de conclusiones y perspectivas se ofrece el estado actual y las perspectivas de futuro de este campo emergente. Además de presentar datos de la literatura primaria elegida, proporcionamos en cada sección las ilustraciones necesarias y las perspectivas futuras considerando la abundancia natural, la utilidad, la fuente práctica y las aplicaciones de los biomateriales derivados de biomoléculas.