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Encapsulación celular

La encapsulación celular es una posible solución al rechazo de injertos en aplicaciones de ingeniería de tejidos. La tecnología de microencapsulación celular implica la inmovilización de células dentro de una membrana polimérica semipermeable . Permite la difusión bidireccional de moléculas como la entrada de oxígeno, nutrientes, factores de crecimiento , etc., esenciales para el metabolismo celular y la difusión hacia el exterior de productos de desecho y proteínas terapéuticas . Al mismo tiempo, la naturaleza semipermeable de la membrana evita que las células inmunes y los anticuerpos destruyan las células encapsuladas, considerándolas invasoras extrañas.

La encapsulación celular podría reducir la necesidad de uso a largo plazo de medicamentos inmunosupresores después de un trasplante de órgano para controlar los efectos secundarios.

Esquema que ilustra la microencapsulación celular.
Esquema que ilustra la microencapsulación celular.

Historia

En 1933, Vincenzo Bisceglie realizó el primer intento de encapsular células en membranas de polímero. Demostró que las células tumorales en una estructura de polímero trasplantadas en la cavidad abdominal de un cerdo permanecían viables durante un largo período sin ser rechazadas por el sistema inmunológico . [1]

Treinta años después, en 1964, la idea de encapsular células dentro de microcápsulas de membrana de polímero ultradelgadas para proporcionar inmunoprotección a las células fue propuesta por Thomas Chang, quien introdujo el término " células artificiales " para definir este concepto de bioencapsulación. [2] Sugirió que estas células artificiales producidas por un método de gota no solo protegían a las células encapsuladas del inmunorrechazo, sino que también proporcionaban una alta relación superficie-volumen que permitía una buena transferencia de masa de oxígeno y nutrientes. [2] Veinte años después, este enfoque se puso en práctica con éxito en modelos animales pequeños cuando se desarrollaron microcápsulas de alginato-polilisina-alginato (APA) que inmovilizaban células de islotes de xenoinjerto . [3] El estudio demostró que cuando estos islotes microencapsulados se implantaron en ratas diabéticas , las células permanecieron viables y controlaron los niveles de glucosa durante varias semanas. En 1998 se realizaron ensayos en humanos en los que se utilizaron células encapsuladas. [4] [5] [6] En un ensayo sobre cáncer de páncreas avanzado no resecable se utilizaron células encapsuladas que expresaban una enzima del citocromo P450 para activar localmente un profármaco antitumoral. Se demostró que el tiempo de supervivencia se duplicaba aproximadamente en comparación con los controles históricos.

La microencapsulación celular como herramienta para la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa

Podrían surgir preguntas sobre por qué es necesaria la técnica de encapsulación de células cuando los productos terapéuticos podrían simplemente inyectarse en el sitio. Una razón importante para esto es que las células encapsuladas proporcionarían una fuente de liberación continua sostenida de productos terapéuticos durante períodos más largos en el sitio de implantación. Otra ventaja de la tecnología de microencapsulación celular es que permite la carga de células no humanas y genéticamente modificadas en la matriz polimérica cuando la disponibilidad de células donantes es limitada. [7] La ​​microencapsulación es una técnica valiosa para la administración local, regional y oral de productos terapéuticos, ya que se puede implantar en numerosos tipos de tejidos y órganos. Para la administración prolongada de medicamentos al sitio de tratamiento, la implantación de estas células artificiales cargadas con medicamentos sería más rentable en comparación con la administración directa de medicamentos. Además, la perspectiva de implantar células artificiales con una composición química similar en varios pacientes independientemente de su antígeno leucocitario podría permitir nuevamente la reducción de costos. [7]

Parámetros clave de la tecnología de microencapsulación celular

El potencial de utilizar la microencapsulación celular en aplicaciones clínicas exitosas solo se puede realizar si se optimizan varios requisitos encontrados durante el proceso de desarrollo, como el uso de un polímero biocompatible apropiado para formar la matriz semipermeable mecánica y químicamente estable, la producción de microcápsulas de tamaño uniforme, el uso de policationes inmunocompatibles apropiados reticulados al polímero de encapsulación para estabilizar las cápsulas y la selección de un tipo de célula adecuado según la situación.

Biomateriales

El uso del mejor biomaterial en función de la aplicación es crucial en el desarrollo de sistemas de administración de fármacos y en la ingeniería de tejidos. El alginato polimérico es muy utilizado debido a su descubrimiento temprano, su fácil disponibilidad y su bajo coste, pero también se han empleado otros materiales como el sulfato de celulosa, el colágeno , el quitosano , la gelatina y la agarosa .

Alginato

Varios grupos han estudiado exhaustivamente varios polímeros naturales y sintéticos con el objetivo de desarrollar el biomaterial más adecuado para la microencapsulación celular. [8] [9] Se ha realizado un amplio trabajo utilizando alginatos que se consideran los biomateriales más adecuados para la microencapsulación celular debido a su abundancia, excelente biocompatibilidad y propiedades de biodegradabilidad . El alginato es un polímero natural que se puede extraer de algas y bacterias [10] con numerosas composiciones basadas en la fuente de aislamiento. [10]

El alginato no está libre de todas las críticas. Algunos investigadores creen que los alginatos con alto contenido de M podrían producir una respuesta inflamatoria [11] [12] y un crecimiento celular anormal [13] mientras que otros han demostrado que el alginato con alto contenido de G conduce a un sobrecrecimiento celular aún mayor [14] [15] y una reacción inflamatoria in vivo en comparación con los alginatos de G intermedio. [16] [17] Incluso los alginatos ultrapuros pueden contener endotoxinas y polifenoles que podrían comprometer la biocompatibilidad de las microcápsulas celulares resultantes. [15] [18] [19] Se ha demostrado que, aunque los procesos de purificación reducen con éxito el contenido de endotoxinas y polifenoles en el alginato procesado, es difícil reducir el contenido de proteínas [18] y los procesos de purificación podrían, a su vez, modificar las propiedades del biomaterial. [19] Por lo tanto, es esencial que se diseñe un proceso de purificación eficaz para eliminar todos los contaminantes del alginato antes de que pueda usarse con éxito en aplicaciones clínicas.

Modificación y funcionalización del alginato

Los investigadores también han podido desarrollar microcápsulas de alginato con una forma alterada de alginato con biocompatibilidad mejorada y mayor resistencia al hinchamiento osmótico. [20] [21] Otro enfoque para aumentar la biocompatibilidad del biomaterial de membrana es a través de la modificación de la superficie de las cápsulas utilizando moléculas de péptidos y proteínas que a su vez controlan la proliferación y la tasa de diferenciación de las células encapsuladas. Un grupo que ha estado trabajando extensamente en el acoplamiento de la secuencia de aminoácidos Arg-Gly-Asp (RGD) a hidrogeles de alginato demostró que el comportamiento celular puede controlarse mediante la densidad de RGD acoplada en los geles de alginato. Las micropartículas de alginato cargadas con células mioblastas y funcionalizadas con RGD permitieron el control sobre el crecimiento y la diferenciación de las células cargadas. [22] [23] Otro factor vital que controla el uso de microcápsulas celulares en aplicaciones clínicas es el desarrollo de un policatión inmunocompatible adecuado para recubrir las perlas de alginato, que de otro modo serían altamente porosas, y así impartir estabilidad y protección inmunológica al sistema. [24] La poli-L-lisina es el policatión más comúnmente utilizado, pero su baja biocompatibilidad restringe el uso clínico exitoso de estas microcápsulas formuladas con PLL que atraen a las células inflamatorias, induciendo así la necrosis de las células cargadas. [25] Los estudios también han demostrado que las microcápsulas de alginato-PLL-alginato (APA) demuestran una baja estabilidad mecánica y durabilidad a corto plazo. Por lo tanto, varios grupos de investigación han estado buscando alternativas a la PLL y han demostrado resultados prometedores con poli-L-ornitina [26] y clorhidrato de poli(metileno-co-guanidina) [27] al fabricar microcápsulas duraderas con una resistencia mecánica alta y controlada para la encapsulación celular.

Varios grupos también han investigado el uso de quitosano , que es un policatión derivado naturalmente, como un posible reemplazo de PLL para fabricar microcápsulas de alginato-quitosano (AC) para aplicaciones de administración celular. [28] [29] Sin embargo, los estudios también han demostrado que la estabilidad de esta membrana AC es nuevamente limitada [30] [31] y un grupo demostró que la modificación de estas microcápsulas de alginato-quitosano con genipina , un glucósido iridoide natural de las frutas de gardenia, para formar microcápsulas de alginato-quitosano reticuladas con genipina (GCAC) podría aumentar la estabilidad de las microcápsulas cargadas de células. [30]

Microfotografías de las microcápsulas de alginato-quitosano (AC).
Microfotografías de las microcápsulas de alginato - quitosano (AC)

Colágeno

El colágeno, un componente proteico importante de la matriz extracelular, proporciona soporte a tejidos como la piel, el cartílago, los huesos, los vasos sanguíneos y los ligamentos y, por lo tanto, se considera un andamio o matriz modelo para la ingeniería de tejidos debido a sus propiedades de biocompatibilidad, biodegradabilidad y capacidad para promover la unión celular. [32] Esta capacidad permite que el quitosano controle la distribución de células dentro del sistema polimérico. Por lo tanto, el colágeno tipo I obtenido de tejidos animales ahora se está utilizando con éxito comercialmente como biomaterial de ingeniería de tejidos para múltiples aplicaciones. [33] El colágeno también se ha utilizado en la reparación de nervios [34] y en la ingeniería de vejiga. [27] La ​​inmunogenicidad ha limitado las aplicaciones del colágeno. La gelatina se ha considerado como una alternativa por esa razón. [35]

Gelatina

La gelatina se prepara a partir de la desnaturalización del colágeno y muchas propiedades deseables como la biodegradabilidad , la biocompatibilidad, la no inmunogenicidad en entornos fisiológicos y la fácil procesabilidad hacen de este polímero una buena opción para aplicaciones de ingeniería de tejidos. [36] Se utiliza en la ingeniería de tejidos para la piel, los huesos y el cartílago y se utiliza comercialmente para reemplazos de piel. [37]

Quitosano

El quitosano es un polisacárido compuesto de D-glucosamina (unidad desacetilada) unida a β-(1-4) y N-acetil-D-glucosamina (unidad acetilada) distribuidas aleatoriamente. Se deriva de la N-desacetilación de la quitina y se ha utilizado para varias aplicaciones, como administración de fármacos , [38] implantes para rellenar espacios [39] y en apósitos para heridas. [40] Sin embargo, un inconveniente de este polímero son sus débiles propiedades mecánicas y, por lo tanto, a menudo se combina con otros polímeros, como el colágeno, para formar un polímero con propiedades mecánicas más fuertes para aplicaciones de encapsulación celular. [41]

Agarosa

La agarosa es un polisacárido derivado de algas marinas que se utiliza para la nanoencapsulación de células y la suspensión de células/agarosa [42] se puede modificar para formar microperlas reduciendo la temperatura durante la preparación. [43] Sin embargo, un inconveniente de las microperlas así obtenidas es la posibilidad de protrusión celular a través de la pared de la matriz polimérica después de la formación de las cápsulas.

Sulfato de celulosa

El sulfato de celulosa se deriva del algodón y, una vez procesado adecuadamente, se puede utilizar como una base biocompatible en la que suspender células. Cuando la solución de sulfato de celulosa polianiónico se sumerge en una segunda solución policatiónica (por ejemplo, pDADMAC), se forma una membrana semipermeable alrededor de las células suspendidas como resultado de la gelificación entre los dos poliiones. Tanto las líneas celulares de mamíferos como las células bacterianas permanecen viables y continúan replicándose dentro de la membrana de la cápsula para llenar la cápsula. Como tal, a diferencia de algunos otros materiales de encapsulación, las cápsulas se pueden utilizar para cultivar células y actuar como tales como un minibiorreactor. La naturaleza biocompatible del material se ha demostrado mediante la observación durante estudios que utilizan las propias cápsulas llenas de células para la implantación, así como material de cápsula aislado. [44] Las cápsulas formadas a partir de sulfato de celulosa se han utilizado con éxito, mostrando seguridad y eficacia, en ensayos clínicos y preclínicos tanto en humanos como en animales, principalmente como tratamientos contra el cáncer, pero también explorando posibles usos para la terapia génica o terapias con anticuerpos. [4] [45] [46] [47] [48] Mediante el uso de sulfato de celulosa se ha logrado fabricar células encapsuladas como producto farmacéutico a gran escala y cumpliendo con los estándares de Buenas Prácticas de Manufactura (cGMP). Esto fue logrado por la empresa Austrianova en 2007. [49]

Biocompatibilidad

El uso de un biomaterial ideal de alta calidad con las propiedades inherentes de biocompatibilidad es el factor más crucial que rige la eficiencia a largo plazo de esta tecnología. Un biomaterial ideal para la encapsulación celular debe ser uno que sea totalmente biocompatible , no desencadene una respuesta inmune en el huésped y no interfiera con la homeostasis celular para asegurar una alta viabilidad celular. [50] Sin embargo, una limitación importante ha sido la incapacidad de reproducir los diferentes biomateriales y los requisitos para obtener una mejor comprensión de la química y biofuncionalidad de los biomateriales y el sistema de microencapsulación . [42] Varios estudios demuestran que la modificación de la superficie de estas micropartículas que contienen células permite el control sobre el crecimiento y la diferenciación celular. [42] [51] de las células encapsuladas. [52]

Un estudio propuso el uso del potencial zeta , que mide la carga eléctrica de la microcápsula, como un medio para predecir la reacción interfacial entre la microcápsula y el tejido circundante y, a su vez, la biocompatibilidad del sistema de administración. [53]

Permeabilidad de las microcápsulas

Un criterio fundamental que debe establecerse al desarrollar cualquier dispositivo con una membrana semipermeable es ajustar la permeabilidad del dispositivo en términos de entrada y salida de moléculas. [54] [55] Es esencial que la microcápsula celular esté diseñada con un espesor uniforme y que se pueda controlar tanto la tasa de moléculas que entran en la cápsula necesarias para la viabilidad celular como la tasa de productos terapéuticos y material de desecho que salen de la membrana de la cápsula. La inmunoprotección de la célula cargada es la cuestión clave que debe tenerse en cuenta al trabajar en la permeabilidad de la membrana de encapsulación, ya que no solo se debe evitar la entrada de células inmunes sino también de anticuerpos y citocinas en la microcápsula, lo que de hecho depende del tamaño de poro de la biomembrana. [55]

Se ha demostrado que, dado que los diferentes tipos de células tienen diferentes requisitos metabólicos, dependiendo del tipo de célula encapsulada en la membrana, la permeabilidad de la membrana debe optimizarse. [56] Varios grupos se han dedicado al estudio de la permeabilidad de la membrana de las microcápsulas celulares [51] [52] [57] y, aunque se ha demostrado el papel de la permeabilidad de ciertos elementos esenciales como el oxígeno, [58] aún quedan por determinar los requisitos de permeabilidad de cada tipo de célula.

El citrato de sodio se utiliza para degradar las perlas de alginato después de la encapsulación de las células. [59] Para determinar la viabilidad de las células o para realizar más experimentos, se utilizan concentraciones de aproximadamente 25 mM para disolver las esferas de alginato y la solución se centrifuga para poder eliminar el citrato de sodio y recolectar las células.

Resistencia mecánica y durabilidad

Es esencial que las microcápsulas tengan una resistencia de membrana adecuada (estabilidad mecánica) para soportar el estrés físico y osmótico , como durante el intercambio de nutrientes y productos de desecho. Las microcápsulas deben ser lo suficientemente fuertes y no deben romperse durante la implantación, ya que esto podría conducir a un rechazo inmunológico de las células encapsuladas. [55] Por ejemplo, en el caso del xenotrasplante , se requeriría una membrana más apretada y estable en comparación con el alotrasplante . Además, mientras se investigaba el potencial de usar microcápsulas de APA cargadas con hidrolasa de sales biliares (BSH) que sobreproducen células activas de Lactobacillus plantarum 80, en un modelo simulado del tracto gastrointestinal para aplicaciones de administración oral, se evaluó la integridad mecánica y la forma de las microcápsulas. Se demostró que las microcápsulas de APA podrían usarse potencialmente en la administración oral de células bacterianas vivas. [60] Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que las microcápsulas de GCAC poseen una mayor estabilidad mecánica en comparación con las microcápsulas de APA para aplicaciones de administración oral. [61] Martoni et al. estaban experimentando con cápsulas llenas de bacterias que se tomarían por vía oral para reducir el colesterol sérico. Las cápsulas se bombearon a través de una serie de vasos que simulaban el tracto gastrointestinal humano para determinar qué tan bien sobrevivirían las cápsulas en el cuerpo. Es necesaria una investigación exhaustiva sobre las propiedades mecánicas del biomaterial que se utilizará para la microencapsulación celular para determinar la durabilidad de las microcápsulas durante la producción y especialmente para aplicaciones in vivo donde se requiere una liberación sostenida del producto terapéutico durante períodos prolongados. van der Wijngaart et al. [57] injertaron una cubierta sólida, pero permeable, alrededor de las células para proporcionar una mayor resistencia mecánica.

Ilustración de la integridad de la microcápsula de APA y de los cambios morfológicos durante el tránsito gastrointestinal simulado. (a) Tránsito preestómago. (b) Tránsito postestómago (60 minutos). (c) Tránsito postestómago (60 minutos) e intestinal (10 horas). Tamaño de la microcápsula: (a) 608 ± 36 μm (b) 544 ± 40 μm (c) 725 ± 55 μm.
Ilustración de la integridad de la microcápsula de APA y de los cambios morfológicos durante el tránsito gastrointestinal simulado. (a) Tránsito preestómago. (b) Tránsito postestómago (60 minutos). (c) Tránsito postestómago (60 minutos) e intestinal (10 horas). Tamaño de la microcápsula: (a) 608 ± 36 μm (b) 544 ± 40 μm (c) 725 ± 55 μm. Tomado de Martoni et al. (2007).

El citrato de sodio se utiliza para degradar las perlas de alginato después de la encapsulación de las células. [59] Para determinar la viabilidad de las células o para realizar más experimentos, se utilizan concentraciones de aproximadamente 25 mM para disolver las esferas de alginato y la solución se centrifuga para poder eliminar el citrato de sodio y recolectar las células.

Métodos para probar las propiedades mecánicas de las microcápsulas

Generación de microcápsulas

Microfluídica

La microfluídica basada en gotas se puede utilizar para generar micropartículas con un tamaño repetible. [57]

ElectropulverizaciónTécnicas

La electropulverización se utiliza para crear esferas de alginato bombeando una solución de alginato a través de una aguja. Se utiliza una fuente de alto voltaje, normalmente proporcionada por una pinza unida a la aguja, para generar un potencial eléctrico con el alginato cayendo desde la punta de la aguja hacia una solución que contiene una base. El cloruro de calcio se utiliza como solución de reticulación en la que las cápsulas generadas caen, donde se endurecen después de aproximadamente 30 minutos. Las perlas se forman a partir de la aguja debido a la carga y la tensión superficial. [62]

Tamaño de la microcápsula

El diámetro de las microcápsulas es un factor importante que influye tanto en la respuesta inmunitaria hacia las microcápsulas celulares como en el transporte de masa a través de la membrana de la cápsula. Los estudios muestran que la respuesta celular a las cápsulas más pequeñas es mucho menor en comparación con las cápsulas más grandes [63] y, en general, el diámetro de las microcápsulas cargadas con células debe estar entre 350 y 450 μm para permitir una difusión efectiva a través de la membrana semipermeable. [64] [65]

Elección de celda

El tipo de célula elegido para esta técnica depende de la aplicación deseada de las microcápsulas celulares. Las células puestas en las cápsulas pueden ser del paciente ( células autólogas ), de otro donante (células alogénicas) o de otras especies (células xenogénicas). [66] El uso de células autólogas en la terapia de microencapsulación está limitado por la disponibilidad de estas células y aunque las células xenogénicas son fácilmente accesibles, el peligro de posible transmisión de virus , especialmente el retrovirus endógeno porcino al paciente restringe su aplicación clínica, [67] y después de mucho debate varios grupos han concluido que los estudios deberían implicar el uso de células alogénicas en lugar de xenogénicas. [68] Dependiendo de la aplicación, las células pueden ser alteradas genéticamente para expresar cualquier proteína requerida. [69] Sin embargo, se debe realizar suficiente investigación para validar la seguridad y estabilidad del gen expresado antes de que se puedan utilizar estos tipos de células.

Esta tecnología no ha recibido aprobación para ensayos clínicos debido a la alta inmunogenicidad de las células cargadas en las cápsulas. Secretan citocinas y producen una reacción inflamatoria grave en el sitio de implantación alrededor de las cápsulas, lo que a su vez conduce a una disminución de la viabilidad de las células encapsuladas. [15] [70] Un enfoque prometedor que se está estudiando es la administración de medicamentos antiinflamatorios para reducir la respuesta inmunitaria producida debido a la administración de las microcápsulas cargadas con células. [71] [72] Otro enfoque que ahora es el foco de una amplia investigación es el uso de células madre, como células madre mesenquimales, para la microencapsulación celular a largo plazo y aplicaciones de terapia celular con la esperanza de reducir la respuesta inmunitaria en el paciente después de la implantación. [73] Otro problema que compromete la viabilidad a largo plazo de las células microencapsuladas es el uso de líneas celulares de proliferación rápida que eventualmente llenan todo el sistema y conducen a una disminución de la eficiencia de difusión a través de la membrana semipermeable de la cápsula. [69] Una solución a esto podría estar en el uso de tipos de células como los mioblastos que no proliferan después del procedimiento de microencapsulación.

Aplicaciones no terapéuticas

Los probióticos se utilizan cada vez más en numerosos productos lácteos, como helados, leches en polvo, yogures, postres lácteos congelados y queso, debido a sus importantes beneficios para la salud. Pero la baja viabilidad de las bacterias probióticas en los alimentos sigue siendo un obstáculo importante. El pH , el contenido de oxígeno disuelto, la acidez titulable, la temperatura de almacenamiento, las especies y cepas de organismos asociativos de productos lácteos fermentados y la concentración de ácidos láctico y acético son algunos de los factores que afectan en gran medida la viabilidad probiótica en el producto. [74] [75] [76] Según lo establecido por la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) y la Organización Mundial de la Salud (OMS), el estándar para ser considerado un alimento saludable con adición de probióticos, el producto debe contener por gramo al menos 10 6 -10 7 ufc de bacterias probióticas viables. [77] Es necesario que las células bacterianas permanezcan estables y saludables en el producto fabricado, sean suficientemente viables mientras se mueven a través del tracto digestivo superior y puedan proporcionar efectos positivos al llegar al intestino del huésped. [78]

La tecnología de microencapsulación celular se ha aplicado con éxito en la industria alimentaria para la encapsulación de células bacterianas probióticas vivas con el fin de aumentar la viabilidad de las bacterias durante el procesamiento de productos lácteos y para su administración dirigida al tracto gastrointestinal. [79]

Además de los productos lácteos, los probióticos microencapsulados también se han utilizado en productos no lácteos, como TheresweetTM, que es un edulcorante . Puede utilizarse como un vehículo conveniente para la administración de Lactobacillus encapsulado al intestino, aunque no sea en sí un producto lácteo.

Aplicaciones terapéuticas

Diabetes

El potencial de utilizar páncreas bioartificial , basado en la encapsulación de células de islotes dentro de una membrana semipermeable , para el tratamiento de la diabetes mellitus está siendo ampliamente estudiado por los científicos. Estos dispositivos podrían eliminar la necesidad de medicamentos inmunosupresores además de resolver finalmente el problema de la escasez de donantes de órganos. El uso de la microencapsulación protegería a las células de los islotes del rechazo inmunológico y permitiría el uso de células animales o células genéticamente modificadas productoras de insulina. [80] Se espera que el desarrollo de estas microcápsulas encapsuladas en islotes pueda evitar la necesidad de las inyecciones de insulina que necesitan varias veces al día los pacientes diabéticos tipo 1. [66] El protocolo de Edmonton implica la implantación de islotes humanos extraídos de donantes cadavéricos y ha demostrado mejoras en el tratamiento de los diabéticos tipo 1 que son propensos a la hipoglucemia asintomática. [81] Sin embargo, los dos principales obstáculos a los que se enfrenta esta técnica son la disponibilidad limitada de órganos de donantes y la necesidad de inmunosupresores para prevenir una respuesta inmune en el cuerpo del paciente.

Se han realizado varios estudios para desarrollar un páncreas bioartificial que implique la inmovilización de islotes de Langerhans en el interior de cápsulas poliméricas. El primer intento en este sentido fue demostrado en 1980 por Lim et al., donde se encapsularon células de islotes de xenoinjerto en el interior de microcápsulas de polilisina de alginato y se obtuvieron resultados significativos in vivo durante varias semanas. [3] Se prevé que la implantación de estas células encapsuladas ayudaría a superar el uso de fármacos inmunosupresores y también permitiría el uso de células de xenoinjerto, obviando así el problema de la escasez de donantes.

Los polímeros utilizados para la microencapsulación de islotes son alginato, [82] quitosano, [83] polietilenglicol (PEG), [84] agarosa, [85] sulfato de celulosa sódica y poliacrilatos insolubles en agua , siendo el alginato y el PEG los polímeros más utilizados. Con los exitosos estudios in vitro que se están realizando utilizando esta técnica, se está llevando a cabo un trabajo significativo en ensayos clínicos utilizando islotes humanos microencapsulados. En 2003, el Ministerio de Salud italiano autorizó el uso de microcápsulas de alginato/PLO que contienen células de islotes para ensayos clínicos piloto de fase 1 en la Universidad de Perugia. [54] En otro estudio, se evaluó el potencial de aplicación clínica de la PEGilación y dosis bajas del inmunosupresor ciclosporina A. El ensayo que comenzó en 2005 por Novocell, ahora forma la fase I/II de ensayos clínicos que implican la implantación de aloinjertos de islotes en el sitio subcutáneo . [86] Sin embargo, se han realizado estudios controvertidos que involucran ensayos clínicos en humanos donde Living Cell Technologies Ltd demostró la supervivencia de células xenogénicas funcionales trasplantadas sin medicación inmunosupresora durante 9,5 años. [87] Sin embargo, el ensayo recibió duras críticas de la Asociación Internacional de Xenotrasplante por ser riesgoso y prematuro. [88] Sin embargo, aunque los ensayos clínicos están en marcha, es necesario superar varios problemas importantes como la biocompatibilidad y la inmunoprotección. [89]

También se están explorando alternativas potenciales a la encapsulación de islotes aislados (de origen alogénico o xenogénico). Utilizando la tecnología de sulfato de celulosa sódica de Austrianova Singapore, se encapsuló una línea celular de islotes y se demostró que las células permanecen viables y liberan insulina en respuesta a la glucosa. [90] En estudios preclínicos, las células encapsuladas implantadas pudieron restablecer los niveles de glucosa en sangre en ratas diabéticas durante un período de 6 meses. [91]

Cáncer

El uso de microcápsulas encapsuladas en células para el tratamiento de varias formas de cáncer ha demostrado un gran potencial. Un enfoque adoptado por los investigadores es a través de la implantación de microcápsulas que contienen células secretoras de citocinas modificadas genéticamente. Un ejemplo de esto fue demostrado por Cirone et al. cuando mioblastos de ratón no autólogos secretores de citocina IL-2 modificados genéticamente implantados en ratones mostraron un retraso en el crecimiento del tumor con una mayor tasa de supervivencia de los animales. [92] Sin embargo, la eficiencia de este tratamiento fue breve debido a una respuesta inmune hacia las microcápsulas implantadas. Otro enfoque para la supresión del cáncer es a través del uso de inhibidores de la angiogénesis para prevenir la liberación de factores de crecimiento que conducen a la propagación de tumores. El efecto de implantar microcápsulas cargadas con células xenogénicas modificadas genéticamente para secretar endostatina , un fármaco antiangiogénico que causa apoptosis en células tumorales , ha sido ampliamente estudiado. [93] [94] Sin embargo, este método de administración local de microcápsulas no era factible en el tratamiento de pacientes con muchos tumores o en casos de metástasis y ha dado lugar a estudios recientes que implican la implantación sistémica de las cápsulas. [95] [96]

En 1998, se utilizó un modelo murino de cáncer de páncreas para estudiar el efecto de implantar células epiteliales felinas que expresaban el citocromo P450 genéticamente modificadas encapsuladas en polímeros de sulfato de celulosa para el tratamiento de tumores sólidos. [97] El enfoque demostró por primera vez la aplicación de células que expresaban enzimas para activar agentes quimioterapéuticos. Sobre la base de estos resultados, un producto de terapia celular encapsulada, NovaCaps, se probó en un ensayo clínico de fase I y II para el tratamiento del cáncer de páncreas en pacientes [98] [99] y recientemente ha sido designado por la Agencia Europea de Medicamentos (EMEA) como medicamento huérfano en Europa. Un ensayo clínico de fase I/II adicional que utilizó el mismo producto confirmó los resultados del primer ensayo, demostrando una duplicación aproximada del tiempo de supervivencia en pacientes con cáncer de páncreas en estadio IV. [100] En todos estos ensayos en los que se utilizó sulfato de celulosa, además de los claros efectos antitumorales, las cápsulas fueron bien toleradas y no se observaron reacciones adversas, como respuesta inmunitaria a las cápsulas, lo que demuestra la naturaleza biocompatible de las cápsulas de sulfato de celulosa. En un paciente, las cápsulas permanecieron en su lugar durante casi 2 años sin efectos secundarios.

Estos estudios muestran el potencial prometedor de aplicación de las microcápsulas celulares para el tratamiento del cáncer. [42] Sin embargo, las soluciones a problemas como la respuesta inmune que conduce a la inflamación del tejido circundante en el sitio de implantación de la cápsula deben investigarse en detalle antes de que sea posible realizar más ensayos clínicos.

Enfermedades del corazón

Se han dedicado numerosos estudios al desarrollo de métodos eficaces para permitir la regeneración del tejido cardíaco en pacientes con cardiopatía isquémica . Un enfoque emergente para responder a los problemas relacionados con la reparación del tejido isquémico es mediante el uso de terapia basada en células madre. [101] Sin embargo, el mecanismo real debido al cual esta terapia basada en células madre tiene efectos generativos sobre la función cardíaca aún está bajo investigación. A pesar de que se han estudiado numerosos métodos para la administración de células, la eficiencia del número de células retenidas en el corazón latiente después de la implantación aún es muy baja. Un enfoque prometedor para superar este problema es mediante el uso de la terapia de microencapsulación celular que ha demostrado permitir una mayor retención de células en comparación con la inyección de células madre libres en el corazón. [102]

Otra estrategia para mejorar el impacto de la técnica de encapsulación basada en células hacia aplicaciones regenerativas cardíacas es a través del uso de células madre modificadas genéticamente capaces de secretar factores angiogénicos como el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) que estimula la neovascularización y restaura la perfusión en el corazón isquémico dañado. [103] [104] Un ejemplo de esto se muestra en el estudio de Zang et al. donde células CHO xenogénicas modificadas genéticamente que expresan VEGF se encapsularon en microcápsulas de alginato-polilisina-alginato y se implantaron en el miocardio de rata. [105] Se observó que la encapsulación protegió a las células de una respuesta inmunológica durante tres semanas y también condujo a una mejora en el tejido cardíaco después del infarto debido al aumento de la angiogénesis.

Terapia con anticuerpos monoclonales

El uso de anticuerpos monoclonales para terapias en el tratamiento de cánceres y enfermedades inflamatorias está muy extendido. Mediante la tecnología del sulfato de celulosa, los científicos han encapsulado con éxito células de hibridoma productoras de anticuerpos y han demostrado la posterior liberación del anticuerpo terapéutico de las cápsulas. [45] [46] Las cápsulas que contienen las células de hibridoma se utilizaron en estudios preclínicos para administrar anticuerpos neutralizantes al retrovirus de ratón FrCasE, previniendo con éxito la enfermedad.

Otras condiciones

Muchas otras condiciones médicas han sido el objetivo de las terapias de encapsulación, especialmente aquellas que implican una deficiencia en alguna proteína de origen biológico. Uno de los enfoques más exitosos es un dispositivo externo que actúa de manera similar a una máquina de diálisis , solo que con un reservorio de hepatocitos de cerdo que rodea la porción semipermeable del tubo infundido con sangre. [106] Este aparato puede eliminar toxinas de la sangre de pacientes que sufren insuficiencia hepática grave . Otras aplicaciones que aún están en desarrollo incluyen células que producen factor neurotrófico derivado de cilios para el tratamiento de ELA y enfermedad de Huntington , factor neurotrófico derivado de glía para enfermedad de Parkinson , eritropoyetina para anemia y HGH para enanismo . [107] Además, enfermedades monogénicas como hemofilia, enfermedad de Gaucher y algunos trastornos de mucopolisacáridos también podrían ser potencialmente el objetivo de células encapsuladas que expresan la proteína que de otra manera falta en el paciente.

Referencias

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