Elastin-like recombinamers for advanced biomedical applicationstissue engineering, gene delivery and nanovaccines

Abstract

El campo de los biomateriales (fundamentalmente utilizados en los dispositivos médicos) se encuentra en medio de un cambio revolucionario en que las ciencias biológicas, la ingeniería genética y la nanotecnología logran unos niveles de relevancia equivalentes en la fabricación de dispositivos que interactúan con los sistemas biológicos. Los básicos e inexcusables requisitos de biocompatibilidad y resistencia mecánica, exigibles para cualquier biomaterial, se suman a una lista progresivamente creciente de propiedades, como las de auto-ensamblado, respuesta a estímulos o presencia de nuevas funcionalidades, que dotan a dichos sistemas de complejos grados de sofisticación, altamente deseables. Como resultado de sus interacciones únicas y específicas con otras macromoléculas y componentes inorgánicos, las proteínas son una parte indispensable de las estructuras y sistemas biológicos, especialmente en lo que respecta al control de la formación de los tejidos, las funciones biológicas o el rendimiento físico. Nuevos enfoques nanobiotecnológicos centrados en la ingeniería genética de biopolímeros basados en proteínas, se consideran pues con gran potencial para el desarrollo de biomateriales avanzados con aplicaciones en campos relacionados con los medicamentos y la nanotecnología. Los polímeros recombinantes de tipo elastina (Elastin-like recombinamers; ELRs) han visto incrementada su popularidad en el campo de los materiales biomiméticos inspirados en las proteínas, dadas sus valiosas propiedades, entre las que cabe destacar su gran biocompatibilidad, su baja citotoxicidad e inmunogenicidad y la posibilidad de diseñar complejas estructuras a demanda, con unas propiedades estructurales, morfológicas, físicas, biológicas y mecánicas de interés, a un bajo coste. El trabajo desarrollado en esta tesis trata de poner de manifiesto la versatilidad de los ELRs en la obtención de diferentes soportes/ensamblajes/estructuras poliméricas recombinantes, basadas en la repetición del secuencias modelo presentes en la elastina natural, pero modificadas y adaptadas convenientemente a las necesidades de tres disciplinas biomédicas diferentes, tales como la ingeniería de tejidos, la terapia génica y el desarrollo de nanovacunas. El trabajo que se presenta con esta tesis completa todas las etapas comprendidas entre el diseño de los genes específicos para cada aplicación hasta su análisis in vitro e in vivo, pasando por su bio-producción en organismos genéticamente modificados de forma eficiente, limpia, sostenible y económica, su purificación y análisis de la pureza, así como el análisis de sus propiedades físico-químicas. En lo que se refiere a la ingeniería de tejidos, se evalúa la importancia relativa que la bioactividad (concretada mediante la inclusión de la secuencia de adhesión celular RGD en la secuencia primaria del polímero) y la topografía (nanofibras versus películas lisas de polímero), ejercen sobre el comportamiento celular en cuanto a su capacidad de adhesión, proliferación, morfología y viabilidad. En el apartado de terapia génica, se estudia la capacidad de los ELRs para condensar moléculas de DNA según la diferente distribución de la carga positiva en el ELR, así como su eficiencia en los procedimientos de transfección. La carga positiva la aporta el aminoácido lisina que se incluye, según un ordenamiento programado, en la secuencia primaria del polímero. Un objetivo posterior pretende evaluar si la incorporación de una cola de poli-histidinas, con un efecto tamponador, a una de las construcciones anteriores, mejora la eficacia en la transfeccion. Por último, se exploran las propiedades físico-químicas y la capacidad adyuvante de un polímero de elastina capaz de autoensamblar reversiblemente en nanopartículas que exponen en su superficie secuencias peptídicas poco inmunogénicas. La finalidad de estos sistemas tiene por objeto el desarrollo de sistemas vacunales eficientes y seguros.