The Molecular Toolbox: Dendrimer Decorated Biomaterials for Musculoskeletal Regeneration

Abstract

Regenerative medicine takes multifaceted approaches towards healing complex injury and restoring normal tissue function by combining biomaterials with cells and drugs. Recently, naturally occurring polymers found in the human body have inspired biomaterials that play active roles in the regenerative process. One polymer, hyaluronic acid, has ubiquitous roles in the human body, and is an important component to tissue development and healing. These materials are proving to be more capable to the complex tasks of guiding tissue regeneration; however, the search continues for laboratory inspired solutions to help guide the regeneration process. We need to be able to control the presentation of bioactive agents in the microenvironment which is the level at which cells operate. Some researchers have attempted to augment the scaffold biochemistry by controlling the spatial presentation of bioactive molecules by playing with clustering peptide sequences, but they do not have a high control over the nanoscale aspect. For the problem of controlling the molecular architecture of the biomaterial microenvironment, nanotechnology has a solution. Dendrimers are synthetic branched macromolecules which are symmetric, monodisperse, and globular in shape. Most importantly however, is that their inherent structure maintains strict presentation of terminal groups. Up to this point, never before have dendrimers been covalently mixed with biomaterials to provide strict control over the presentation of biomolecules in the scaffold microenvironment. This novel technology poses a new biomaterials niche for guiding bone regeneration. The motivation of the thesis is to contribute to the development of intelligent biomaterial platforms by combining peptide epitope binding dendrimers with a thermoreversible biomaterial platform based on hyaluronic acid in the hope to advance bone regeneration.

La medicina regenerativa utiliza distintos enfoques hacia procesos complejos de curación de lesiones: uno de ellos es la restauración de la función normal de tejidos mediante la combinación de biomateriales con células y fármacos. Pero si nos centramos en lo que ahora pueden hacer los biomateriales sabemos que son un material capaz de guiar tareas complejas en procesos de regeneración tisular. No obstante, la investigación en los laboratorios continua explorando este mundo inspirada por la búsqueda de soluciones para mejorar, todavía más, esta función de guía en el proceso de regeneración tisular. Hemos de ser capaces de controlar la entrega de agentes bioactivos en los microambientes que se encuentran a niveles en los que las células operan. Algunos investigadores han intentado aumentar la funcionalidad bioquímica de las estructuras de los polímeros, o “andamios” (en la literatura inglesa scaffold), mediante el control de la presentación espacial de moléculas bioactivas jugando con clústeres de secuencias de péptidos, pero sin tener un alto control a escala nanoscópica. Ahora, para el problema sobre el control de la arquitectura molecular del microambiente de un biomaterial la nanotecnología tiene una solución. Se trata de los dendrímeros, moléculas sintéticas ramificadas, simétricas, monodispersas y con forma globular. Más importante todavía, su estructura inherente mantiene una presentación estricta de los grupos terminales. Hasta este momento, nunca antes se habían mezclado covalentemente dendrímeros con biomateriales para proporcionar un control estricto de la presentación de biomoléculas en el microambiente de “andamio”. Esta nueva tecnología (la de los dendrímeros) coloca a los biomateriales en el nicho para la guía de la regeneración ósea. El objetivo de estas tesis es contribuir al desarrollo de biomateriales inteligentes mediante la combinación de dendrímeros con afinidad por proteínas específicas en una plataforma de biomaterial termorreversible a base de ácido hialurónico. La meta: avanzar en el campo de la regeneración ósea.