ARTÍCULO ESPECIAL

 

Bases teóricas y aplicación clínica de las proteínas morfogenéticas óseas en cirugía maxilofacial

Base theories and the clinical application of bone morphogenetic proteins in maxillofacial surgery

 

 

C.M. Ardila Medina

Profesor Asistente Universidad de Antioquia.
Presidente Sociedad Colombiana de Periodoncia y Oseointegración/Regional Antioquia. Antioquia, Colombia

Dirección para correspondencia

 

 

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RESUMEN

Uno de los grandes avances en la neoformación ósea ha sido la identificación de factores de crecimiento importantes para ella como son las proteinas morfogenéticas óseas (PMO) que regulan la diferenciación ósea y cartilaginosa in vivo. La depuración, clonación genética y expresión de las PMO han establecido las bases para el análisis celular y molecular del desarrollo y la regeneración ósea. El estudio genético de las PMO señala que son esenciales para la función normal animal y en la osteogénesis postfetal es importante en el desarrollo embrionario orgánico, esquelético y de los tejidos dentales y craneofaciales. La disponibilidad de las PMO proporciona retos y oportunidades para mejorar los conocimientos que regulan la regeneración ósea con el fin de optimizar los resultados en el paciente.

Palabras clave: Proteína morfogenética ósea; Regeneración ósea.

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ABSTRACT

One of the fundamental advances in bone neoformation has been the identification of important growth factors like the bone morphogenetic proteins that regulate live cartilage and bone differentiation. The cleansing, genetic cloning and expression of recombinant human bone morphogenetic proteins (BMP) have laid the basis for cellular and molecular analysis of bone development and regeneration. The genetic study of the BMPs indicates that they are essential to the normal development and function of animals. BMP post-natal bone development is also very important in embryonic organic, skeletal, craniofacial and dental tissue development. The availability of BMPs provides several challenges and opportunities to improve insights into the mechanisms that regulate the regeneration of bone for optimal outcome in the patient.

Key words: Bone morphogenetic proteins; Bone regeneration.

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Introducción

El desarrollo de las proteínas morfogenéticas óseas (PMO) ha ofrecido una alternativa al tradicional injerto óseo, el cual ha sido el estándar de oro para la reconstrucción oral y maxilofacial. Las PMO han sido usadas exitosamente en primates para restaurar mandíbulas hemisectadas y grandes defectos óseos de tamaño crítico,^1,2 para la reparación de fisuras alveolares,³ e inducción de la formación ósea en senos maxilares previa a la colocación de implantes.⁴ La aplicación clínica de las PMO ha incluido la reparación de defectos óseos faciales, alveolares, mandibulares y maxilares.⁵

El propósito de esta revisión es presentar una visión concreta sobre las proteinas morfogenéticas óseas y su potencialidad en la iniciación y promoción de la osteogénesis y su aplicación en los procesos regenerativos. Las investigaciones acerca de los iniciadores moleculares de diferenciación ósea y cartilaginosa han identificado un grupo entero de proteinas morfogenéticas óseas que ejercen un efecto regulador.

Proteinas morfogenéticas y su función en la iniciación de la formación ósea

El modelo de desarrollo postfetal óseo inducido por la matriz extracelular del hueso desmineralizado ha mostrado expectativas importantes en materia de investigación. La implantación intramuscular o subcutánea de matriz ósea desmineralizada genera diferenciación local del hueso endocondral.⁶ La respuesta tisular producida por esta implantación es similar a la presentada en el desarrollo óseo embriológico,6 sin embargo, a diferencia del crecimiento epifíseo, donde se observa una contínua diferenciación ósea y cartilaginosa, en el modelo de matriz ósea inducida se evidencia un solo ciclo de formación endocondral.⁶

Ha sido dificil la identificación de proteinas osteogénicas en la matriz ósea debido a que pequeñas cantidades de ellas se adhieren fuertemente a componentes orgánicos e inorgánicos de la matriz ósea extracelular. La existencia de proteinas morfogenéticas óseas ha sido confirmada,⁶ debido a que la matriz ósea desmineralizada puede ser disociativamente extraida e inactivada con agentes caotrópicos (4 M guanidina-HCL) y osteogénicamente restaurada por reconstituyentes que inactivan residuos (matriz insoluble de colágeno) con fracciones de proteinas solubilizadas.⁶ Se debe destacar, que indiferente de su solubilidad o no, la matriz colágena se activa y una combinación de las dos formas restaura la actividad osteoinductiva, en un bioensayo extra esquelético en roedores.⁷ Esta reconstitución operacional de la señal soluble con un substrato insoluble ha sido el punto clave experimental que ha proporcionado bioensayos auténticos para la diferenciación de cartílago y hueso.⁷ Este bioensayo funcional proporciona el punto de partida para la depuración de las proteinas morfogenéticas óseas, que fueron evaluadas por clonación molecular y por expresión de proteinas humanas recombinantes.⁸ Una de las proteinas morfogenéticas óseas, la osteogenina, se aisló de una matriz ósea bovina por cromatografía de afinidad a la heparina y fue purificada por una solución electroendosmótica después de electroforesis.⁸ La secuencia de aminoácidos de los péptidos de la osteogenina revelaron una estructura única primaria, idéntica a la secuencia de aminoácidos observada a partir de los clones de ADN de la proteina morfogenética ósea PMO-3.⁸ Posteriormente, la osteogenina fue aislada y purificada de la matriz ósea de un mandril. Otras proteinas osteogénicas como la PMO-2 y la PMO-4 han sido aisladas, reconocidas y clonadas gracias a la identificación por medio de clones moleculares humanos.⁹ Las PMO nativas y recombinante humana (rh) inducen la formación ósea local endocondral cuando son reconstituidas con colágeno insoluble de la matriz ósea, obtenida del residuo inactivo después de la extracción disociativa de la matriz ósea con 4 M guanidina- HCL.^8,9

Las PMO muestran secuencias homólogas con miembros de los factores de crecimiento Beta transformantes (TGF-Beta),⁷ distribuidas ampliamente en vertebrados e invertebrados.4, 5 PMO-2, -3, - 4, -5 -6, -7 y -8, son sintetizados como precursores de cadenas polipeptídicas con una región terminal de cientos de aminoácidos y terminales carboxilos.^7,9 Las proteinas maduras son procesadas desde los precursores en los carboxilos terminales.

La sorprendente conservación estructural de las PMO aumenta la posibilidad de que dominen el desarrollo crítico y la función regulatoria no solamente del cartilago y el hueso, ya que existen investigaciones que indican que además de la osteogénesis posfetal, la osteogenina (PMO-3) puede influir en la esqueletogénesis embriológica.⁶ Además, los distintos patrones espaciales de PMO-2, PMO-3, PMO-4 y PMO-6 mRNAs, sugieren que también están involucradas en eventos relacionados con la inducción ósea que controlan el patrón de formación ósea durante el desarrollo embrionario.^4,7 PMO-7 se expresa en niveles altos en el riñón, aumentando las posibilidades de que cumpla una función endocrina.¹ PMO-7 también se expresa en el cerebro, sugiriendo una posible actividad en el desarrollo del sistema nervioso central.^1,2 PMO-3 se expresa principalmente en los pulmones, sugiriendo una participación en la homeóstasis tisular esquelética de una manera endocrina, como se propone en el caso del riñon. PMO-2 y PO-2 mRNAs no han sido detectadas en órganos adultos.¹⁰

En la tabla 1 se presentan las PMO que generan inducción ósea y cartilaginosa.

Proteinas Morfogenéticas Óseas y Regeneración

La interacción de las proteínas morfogenéticas óseas con las macromoléculas de la matriz extracelular, ha permitido la formulación de nuevos conceptos acerca de su potencial regulatorio en la osteogénesis.^3,4 La formación ósea por inducción ha sido demostrada debido a la actividad biológica de las PMO rh y naturales en sitios extraesqueletales de primates.^3,6,8,9 Importantes estudios han demostrado que la osteogenina puede ser usada para la reconstrucción de la arquitectura de la médula ósea en defectos óseos en mandriles.¹¹

Es importante para aplicaciones futuras el concepto de que la inducción óptima de formación ósea depende de la acción combinada de PMO y un sustrato complementario. El compuesto del sustrato de la matriz extracelular en estado sólido, en asociación con PMO solubles, inicia la cascada de diferenciación ósea.³ La restauración de la actividad biológica después de la extracción disociativa y reconstrucción de la PMO con matriz de colágeno insoluble indica que los componentes de la matriz extracelular ósea actúan como un vehículo para la expresión funcional de las PMO.^2,9 Algunas investigaciones han demostrado que el colágeno de la matriz ósea proporciona un sustrato óptimo para el reclutamiento y adhesión de células progenitoras y la posterior proliferación y diferenciación en osteoblastos.^{1, 2} La fundamentación de la matriz de colágeno en el desarrollo y diferenciación ha sido manifestado tempranamente, 8 demostrando que la matriz de colágeno puede prevenir la difusión prematura en la implantación quirúrgica,^{2, 9} y puede proteger la PMO de proteólisis no específica. El colágeno transportador actúa como substrato provisional hasta ser reemplazado por nuevo hueso formado.

Aplicaciones clínicas

A continuación se discutirá brevemente el uso clínico de las PMO en defectos de continuidad mandibular, aumento maxilo-mandibular preprotésico, trauma maxilofacial y reconstrucción de fisuras alveolares.

Defectos de continuidad mandibular: son defectos secundarios a la resección de tumores que resultan en una morbilidad significante sino son quirúrgicamente reconstruidos, convirtiendo de esta manera a los injertos autógenos en una alternativa importante para dicha reconstrucción. Toriumi y colaboradores, emplearon un modelo canino para estudiar PMO-2 para estimular crecimiento en un defecto de continuidad mandibular,¹² encontrando que el 68% del defecto fue reemplazado por hueso mineralizado. Boyne encontró que la PMO-2 fue un inductor efectivo de la regeneración osea en primates con defectos óseos de tamaño crítico.¹ En 2004, Warnke y colaboradores, usaron PMO-7 y bloques de hueso mineralizado (xenoinjertos), para crear injertos vascularizados en humanos,¹³ hallando remodelación ósea y mineralización. El desarrollo de procedimientos de reconstrucción efectivos utilizando factores osteoinductivos sin necesidad de injertos óseos, tendría un fuerte impacto sobre las cirugías reconstructivas de cabeza y cuello.

Aumento preprotésico maxilomandibular: este tipo de aumentos usando injertos óseos y sustitutos óseos son muy frecuentes. Los procedimientos más comunmente empleados incluyen aumento de rebordes y elevación de seno maxilar. Jovanovic y colaboradores, realizaron un estudio histológico en un modelo animal en el que se llevo a cabo un aumento de reborde alveolar. No encontraron diferencias significativas entre los injertos con PMO-2 osteoinducidos, comparado con el hueso residente, estableciendo que la PMO-2 permite la instalación, oseointegración y carga funcional a largo plazo en implantes dentales ubicados en perros.¹⁴ Boyne y colaboradores, publicaron recientemente los resultados de un estudio multicéntrico en el que se evaluaba PMOrh en el seno maxilar, ⁴ concluyendo que la PMO inducía hueso de una manera predecible y segura, adecuada para la carga functional de implantes endoseos en aquellos pacientes que requieren aumento del seno maxilar.

Trauma maxilofacial: algunos estudios han sido realizados con el fin de evaluar la PMO-2 en casos de trauma, demostrando su efectividad en el tratamiento de defectos segmentales completos o parciales de huesos largos.^15,16 En daños severos en los que se presenta pérdida de tejidos blandos y duros, los tratamientos se enfrentan a desafios que incluye la obtención del cierrre de los tejidos blandos y la prevención de la contaminación y pérdida de la PMO-2, como en el caso de las heridas de bala, donde puede existir una significativa zona de daño necrótico, que puede requerir posterior debridamiento y reconstrucción secundaria.

Reconstrucción de fisuras alveolares: el procedimiento estándar para el tratamiento de fisuras alveolares, ha sido reportado por Boyne y Sands utilizando partículas autógenas de cresta iliaca.¹⁷ Boyne y colaboradores, compararon PMO-2 e injertos de cresta iliaca en defectos alveolares simulados en primates,³ encontrando que no existían diferencias estadísticamente significativas entre ellos. Actualmente, muchos pacientes se benefician del uso de PMO -2 para inducir formación ósea en fisuras palatinas eliminando la necesidad de intervenir un área donante.⁵

Perspectivas de las Proteínas Morfogenéticas Oseas

La capacidad de las Proteínas Morfogenéticas Oseas de los mamíferos para iniciar un curso programado que resulte en la inducción ósea, puede ser un proceso funcionalmente utilizado en el desarrollo embriológico, sintetizado en la osteogénesis postfetal y puede ser promisorio para la iniciación terapéutica de la formación ósea.¹⁸

Los injertos óseos han sido el estándar de oro para la reconstrucción maxilofacial. Sus ventajas, tales como altas tazas de éxito, disponibilidad de cantidades considerables, además de su biocompatibilidad, hacen del injeto autógeno la alternativa de elección en la reconstrucción ósea. Sin embargo, algunas desventajas inmersas incluyen los altos costos del procedimiento, la necesidad de un sitio donante, necesidad de hospitalización y la morbilidad postoperatoria entre otros.¹⁸

La aplicación de factores de crecimiento específicos para la osteoinducción sin necesidad de usar un injerto óseo, podría tener un tremendo impacto en la reconstrucción maxilofacial. Más de 20 PMO han sido aisladas con diferentes habilidades para aumentar la osteogenesis. Las tipo 2, 4, 7, al parecer tienen la mayor habilidad para estimular la formación ósea.

Desde una perspectiva terapéutica, es necesario enfocar las investigaciones sobre la formulación de sistemas de distribución para las PMO. Un sustrato ideal que actúe como un sistema de distribución osteogénico debe ser inorgánico, no inmunogénico y sensible para una óptima adhesión y también debe proporcionar soporte completo al colgajo mucoperióstico.

Un avance coyuntural será la identificación, aislamiento y clonación de los receptores de las proteinas óseas. La expresión de clonación de receptores de PMO será un auxilio importante para el diseño de enfoques terapéuticos que generen formación ósea.

 

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Dirección para correspondencia:
CM Ardila Medina
Carrera 47 No 20 sur 46 Envigado
Antioquia, Colombia 57(4) 3348122
Email: cmartin@odontologia.udea.edu.co

Recibido: 29.10.2008
Aceptado: 11.05.2009