In-silico simulation of drug delivery and degradation of scaffolds

Resumen

En los últimos años, la investigación biomédica ha desarrollado nuevas estrategias para poder sanar los defectos causados tanto por incidentes como por el paso del tiempo en el cuerpo. Una de estas estrategias consiste en crear sustitutos tisulares, los cuales favorecen la regeneración del nuevo tejido natural. Es deseable que estos sustitutos, llamados scaffolds, sean biodegradables y biocompatibles. Estos scaffolds pueden ser fabricados mediante diferentes técnicas, como por ejemplo el electrospinning. Empleando esta técnica se pueden obtener sustitutos tisulares con fibras nanométricas. Las fibras que componen los scaffolds están hechas por polímeros o por la disolución de varios polímeros. Resulta interesante la posibilidad de introducir en las mismas fibras los fármacos que el paciente necesitará, ya que de este modo se puede focalizar el tratamiento. Esta liberación de fármacos se debe realizar de manera controlada en el cuerpo. Cuando las fibras se degradan, el fármaco se libera de forma controlada en el medio circundante. Esta tasa de liberación de fármaco depende de factores tales como, la geometría de la microestructura inicial del scaffolds, el tipo de distribución del fármaco en el scaffolds, el tipo de polímero... Desde el punto de vista médico, es importante controlar la dosis de fármaco liberada durante un período de tiempo determinado, ya que una gran cantidad de fármaco puede resultar tóxica para el paciente, mientras que una pequeña cantidad puede resultar inefectiva para tratar el problema. Se estima que el período promedio de desarrollo de un producto nuevo de liberación de fármacos puede demorar hasta 10 años. Además, se necesitan enormes inversiones de equipamiento de laboratorio, preparación de muestras y pruebas costosas para su aprobación. El objetivo del presente trabajo es proponer modelos 3D válidos para generar y simular la degradación de scaffolds y la consiguiente liberación de fármaco. Este logro se traduciría en un diseño de scaffolds más eficaz, mediante una optimización in-silico antes de comenzar a realizar ensayos en laboratorio. Para generar la microestructura inicial, se han empleado sencillo modelos geométricos usando esferas y fibras rectas poliméricas. Para el caso de los scaffolds fabricados mediante electrospinning, se ha desarrollado un algoritmo complejo para la generación de microestructuras. Este algoritmo simula la estructura mediante la disposición de una única fibra en un volumen predefinido, donde la trayectoria de la fibra se define como una serie de pequeños segmentos. La microestructura 3D obtenida inicialmente, sea del tipo que sea, se discretiza en pequeños elementos cúbicos homogéneos llamados vóxeles. En esta etapa final de la creación de la microestructura inicial se incluyen las cápsulas de medicamento. Para la simulación de tanto la degradación como del procesos de liberación de fármacos se ha propuesto otro algoritmo, que trabaja sobre la microestructura descrita anteriormente. El modelo se basa en el método de Monte Carlo, de acuerdo con el cual la probabilidad de degradación de un vóxel está relacionada con su entorno. Consecuencia de esto, la degradación de la fibra está relacionada con la curvatura de su superficie. Cuando las fibras se degradan, y el fármaco se expone al medio, el modelo es capaz de predecir la tasa de liberación del fármaco. Los resultados obtenidos demuestran que las simulaciones mediante ordenador reproducen la degradación del scaffolds que se produce en un entorno fisiológico. El modelo también proporciona una predicción directa de la liberación de fármacos. Se ha estudiado el efecto que tiene cada parámetro del modelo en la liberación final del fármaco. Los resultados obtenidos pueden ser de gran utilidad para el diseño de futuros scaffolds que contengan fármacos en su interior.