La descelularización (también escrita descelularización en inglés británico) es el proceso utilizado en ingeniería biomédica para aislar la matriz extracelular (MEC) de un tejido de las células que lo habitan, dejando un andamio de ECM del tejido original, que puede usarse en órganos y tejidos artificiales . regeneración. El trasplante de órganos y tejidos trata una variedad de problemas médicos, que van desde fallas de órganos terminales hasta cirugía estética. Una de las mayores limitaciones del trasplante de órganos deriva del rechazo del órgano causado por la reacción de los anticuerpos del receptor del trasplante a los antígenos del donante en las superficies celulares dentro del órgano donante. [1] Debido a respuestas inmunes desfavorables , los pacientes trasplantados sufren toda la vida tomando medicamentos inmunosupresores. Stephen F. Badylak fue pionero en el proceso de descelularización en el Instituto McGowan de Medicina Regenerativa de la Universidad de Pittsburgh. [2] Este proceso crea un biomaterial natural que actúa como andamio para el crecimiento celular, la diferenciación y el desarrollo de tejidos. Al recelularizar una estructura de ECM con las propias células del paciente, se elimina la respuesta inmune adversa. Hoy en día, los andamios ECM disponibles comercialmente están disponibles para una amplia variedad de ingeniería de tejidos . Se ha descubierto que el uso de ácido peracético para descelularizar los andamios de ECM es falso y solo desinfecta el tejido.
Con una amplia variedad de tratamientos inductores de descelularización disponibles, las combinaciones de tratamientos físicos, químicos y enzimáticos se monitorean cuidadosamente para garantizar que la estructura de ECM mantenga la integridad estructural y química del tejido original. [2] Los científicos pueden utilizar la estructura de ECM adquirida para reproducir un órgano funcional introduciendo células progenitoras o células madre adultas (ASC) y permitiéndoles diferenciarse dentro de la estructura para desarrollarse en el tejido deseado. El órgano o tejido producido se puede trasplantar a un paciente. A diferencia de los anticuerpos de la superficie celular, los componentes bioquímicos de la ECM se conservan entre los huéspedes, por lo que se minimiza el riesgo de una respuesta inmune hostil. [3] [4] La conservación adecuada de las fibras de la MEC, los factores de crecimiento y otras proteínas es imperativa para que las células progenitoras se diferencien en células adultas adecuadas. El éxito de la descelularización varía según los componentes y la densidad del tejido aplicado y su origen. [5] Las aplicaciones del método descelularizante para producir un andamio de biomaterial para la regeneración de tejidos están presentes en tejidos cardíacos , dérmicos , pulmonares , renales y otros tipos de tejidos. La reconstrucción completa de órganos aún se encuentra en los primeros niveles de desarrollo. [6]
Los investigadores pueden tomar el tejido de un donante o cadáver , lisar y matar las células dentro del tejido sin dañar los componentes extracelulares y terminar con un producto que es el andamio natural de ECM que tiene las mismas funciones físicas y bioquímicas del tejido natural. . [2] Después de adquirir la estructura de ECM, los científicos pueden recelularizar el tejido con potentes células madre o progenitoras que se diferenciarán en el tipo de tejido original. Al extraer las células del tejido de un donante, se eliminarán los anticuerpos inmunogénicos del donante. Las células progenitoras pueden tomarse del huésped, por lo que no tendrán una respuesta adversa al tejido. Este proceso de descelularización de tejidos y órganos aún se está desarrollando, pero el proceso exacto de tomar un tejido de un donante y eliminar todos los componentes celulares se considera el proceso de descelularización. Los pasos para pasar de un andamio de ECM descelularizado a un órgano funcional se encuentran bajo el paraguas de la recelularización. Debido a las diversas aplicaciones de los tejidos en el cuerpo humano, las técnicas de descelularización deben adaptarse al tejido específico sobre el que se ejercita. Los métodos investigados de descelularización incluyen tratamientos físicos, químicos y enzimáticos. Aunque algunos métodos se utilizan con más frecuencia, la combinación exacta de tratamientos varía según el origen del tejido y para qué se necesita. [5]
En cuanto a introducir los diferentes productos químicos licuados y enzimas en un órgano o tejido, se han utilizado técnicas de descelularización por perfusión y inmersión. La descelularización por perfusión es aplicable cuando hay un sistema vascular extenso en el órgano o tejido. Es fundamental que la estructura de la ECM se descelularice en todos los niveles y de manera uniforme en toda la estructura. [7] [8] Debido a este requisito, los tejidos vascularizados pueden tener sustancias químicas y enzimas perfundidas a través de las arterias, venas y capilares presentes. Bajo este mecanismo y condiciones fisiológicas adecuadas, los tratamientos pueden difundirse por igual a todas las células del órgano. Los tratamientos se pueden eliminar a través de las venas al final del proceso. La descelularización cardíaca y pulmonar a menudo utiliza este proceso de descelularización para introducir los tratamientos debido a sus redes fuertemente vascularizadas. La descelularización por inmersión se logra mediante la inmersión de un tejido en tratamientos químicos y enzimáticos. Este proceso se logra más fácilmente que la perfusión , pero se limita a tejidos delgados con un sistema vascular limitado. [ cita necesaria ]
Los métodos físicos más comunes utilizados para lisar, matar y eliminar células de la matriz de un tejido mediante el uso de temperatura, fuerza, presión y disrupción eléctrica. Los métodos de temperatura se utilizan a menudo en un mecanismo rápido de congelación y descongelación. Al congelar rápidamente un tejido, se forman cristales de hielo microscópicos alrededor de la membrana plasmática y la célula se lisa. [9] Después de lisar las células, el tejido puede quedar aún más expuesto a sustancias químicas licuadas que degradan y eliminan los componentes indeseables. Los métodos de temperatura conservan la estructura física de la estructura de la ECM, pero se manejan mejor con tejidos gruesos y fuertes. [10]
La fuerza directa de presión sobre un tejido garantizará la alteración de la estructura de la ECM, por lo que comúnmente se utiliza presión. La descelularización por presión implica el uso controlado de presión hidrostática aplicada a un tejido u órgano. Esto se hace mejor a altas temperaturas para evitar la formación no controlada de cristales de hielo que podrían dañar el andamio. La disrupción eléctrica de la membrana plasmática es otra opción para lisar las células alojadas en un tejido u órgano. Al exponer un tejido a pulsos eléctricos, se forman microporos en la membrana plasmática. Las células eventualmente mueren después de que su equilibrio eléctrico homeostático se arruina debido al estímulo aplicado. Este proceso eléctrico está documentado como electroporación irreversible no térmica (NTIRE) y está limitado a tejidos pequeños y a las posibilidades limitadas de inducir una corriente eléctrica in vivo . [2]
Se selecciona la combinación adecuada de productos químicos para la descelularización según el espesor, la composición de la matriz extracelular y el uso previsto del tejido u órgano. Por ejemplo, las enzimas no se usarían en un tejido colágeno porque alteran las fibras del tejido conectivo. Sin embargo, cuando el colágeno no está presente en una concentración alta o no es necesario en el tejido, las enzimas pueden ser una opción viable para la descelularización. Los productos químicos utilizados para matar y eliminar las células incluyen ácidos, tratamientos alcalinos, detergentes iónicos , detergentes no iónicos y detergentes zwitteriónicos . [ cita necesaria ]
El detergente iónico, dodecilsulfato de sodio (SDS), se usa comúnmente debido a su alta eficacia para lisar células sin daño significativo a la ECM. [11] [12] [13] Los detergentes actúan eficazmente para lisar la membrana celular y exponer el contenido a una mayor degradación. Después de que el SDS lisa la membrana celular, las endonucleasas y exonucleasas degradan el contenido genético, mientras que otros componentes de la célula se solubilizan y eliminan por lavado de la matriz. El SDS se utiliza habitualmente aunque tiende a alterar ligeramente la estructura del ECM. Los tratamientos alcalinos y ácidos pueden ser compañeros eficaces de un tratamiento con SDS debido a su capacidad para degradar los ácidos nucleicos y solubilizar las inclusiones citoplasmáticas . [5]
El detergente no iónico más conocido es Triton X-100 , que es popular debido a su capacidad para alterar las interacciones lípido-lípido y lípido -proteína. Triton X-100 no altera las interacciones proteína-proteína, lo que resulta beneficioso para mantener intacta la ECM. EDTA es un agente quelante que se une al calcio , que es un componente necesario para que las proteínas interactúen entre sí. Al hacer que el calcio no esté disponible, el EDTA evita que las proteínas integrales entre las células se unan entre sí. El EDTA se utiliza a menudo con tripsina, una enzima que actúa como proteasa para romper los enlaces ya existentes entre proteínas integrales de células vecinas dentro de un tejido. En conjunto, la combinación EDTA-tripsina forma un buen equipo para descelularizar los tejidos.
Las enzimas utilizadas en los tratamientos de descelularización se utilizan para romper los enlaces y las interacciones entre los ácidos nucleicos, las células que interactúan a través de proteínas vecinas y otros componentes celulares. En la eliminación de células se han utilizado lipasas , termolisina , galactosidasa , nucleasas y tripsina . Después de lisar una célula con un detergente, ácido, presión física, etc., las endonucleasas y exonucleasas pueden comenzar la degradación del material genético. Las endonucleasas escinden el ADN y el ARN en medio de secuencias. La benzoasa, una endonucleasa, produce múltiples fragmentos nucleares pequeños que pueden degradarse aún más y eliminarse de la estructura de la MEC. [14] Las exonucleasas actúan al final de las secuencias de ADN para escindir los enlaces fosfodiéster y degradar aún más las secuencias de ácidos nucleicos. [ cita necesaria ]
Enzimas como la tripsina actúan como proteasas que escinden las interacciones entre proteínas. Aunque la tripsina puede tener efectos adversos sobre las fibras de colágeno y elastina de la MEC, su uso oportuno controla cualquier daño potencial que pueda causar en las fibras extracelulares. Dispasa se utiliza para prevenir la agregación no deseada de células, lo que es beneficioso para promover su separación del andamio de ECM. La experimentación ha demostrado que la dispasa es más eficaz en la superficie de un tejido delgado, como un pulmón, en la regeneración del tejido pulmonar. Para eliminar con éxito las células profundas de un tejido con dispasa, a menudo se incluye agitación mecánica en el proceso. [ cita necesaria ]
La colagenasa sólo se utiliza cuando el producto de estructura de ECM no requiere una estructura de colágeno intacta. Las lipasas se utilizan habitualmente cuando se necesitan injertos de piel descelularizada. Los ácidos lipasas funcionan en la descelularización de los tejidos dérmicos mediante la deslipidación y la escisión de las interacciones entre células muy lipidizadas. La enzima α-galactosidasa es un tratamiento relevante a la hora de eliminar el antígeno del epítopo Gal de las superficies celulares. [5]
Un andamio de ECM natural proporciona el entorno físico y bioquímico necesario para facilitar el crecimiento y la especialización de potentes células progenitoras y madre. Se han aislado matrices acelulares in vitro e in vivo en varios tejidos y órganos diferentes. [6] La ECM descelularizada se puede utilizar para preparar biotinta para la bioimpresión 3D. [15] El éxito más aplicable de los tejidos descelularizados proviene de tejidos simétricos que tienen menos especialización, como los injertos óseos y dérmicos; sin embargo, la investigación y el éxito continúan a nivel de órganos.
Las matrices dérmicas acelulares han tenido éxito en varias aplicaciones diferentes. Por ejemplo, los injertos de piel se utilizan en cirugía estética y en el cuidado de quemaduras. El injerto de piel descelularizada proporciona soporte mecánico al área dañada al mismo tiempo que favorece el desarrollo del tejido conectivo derivado del huésped. El tejido cardíaco tiene éxito clínico en el desarrollo de válvulas humanas a partir de matrices naturales de ECM. [16] Una técnica conocida como procedimiento de Ross utiliza una válvula cardíaca acelular para reemplazar una válvula defectuosa, lo que permite que las células nativas repoblaran una válvula que recién funciona. Los aloinjertos descelularizados han sido fundamentales en los injertos óseos que funcionan en la reconstrucción ósea y el reemplazo de huesos deformados en pacientes.
Los límites de la ingeniería de tejidos miocárdicos provienen de la capacidad de perfundir, sembrar e implementar inmediatamente el corazón en un paciente. Aunque el andamio de ECM mantiene las proteínas y los factores de crecimiento del tejido natural, los investigadores que utilizan andamios de corazón descelularizado aún no han aprovechado la especialización a nivel molecular. En la investigación pulmonar se han encontrado mejores resultados en el uso de un órgano completo mediante técnicas de descelularización. Los científicos han podido regenerar pulmones completos in vitro a partir de pulmones de rata mediante perfusión-descelularización. Al sembrar la matriz con células de pulmón de rata fetal , se produjo un pulmón funcional. El pulmón producido in vitro se implementó con éxito en una rata, lo que demuestra las posibilidades de trasladar un órgano producido in vitro a un paciente.
Se han encontrado otros éxitos para la descelularización en la ingeniería de la submucosa del intestino delgado (SIS), renal, hepática [17] y pancreática. [18] Debido a que es un material delgado, la matriz de SIS se puede descelularizar sumergiendo el tejido en tratamientos químicos y enzimáticos. La ingeniería de tejidos renales aún está en desarrollo, pero las matrices de riñón cadavérico han podido favorecer el desarrollo de potentes células de riñón fetal. La ingeniería pancreática es un testimonio de la especificidad molecular de los órganos. Los científicos aún no han podido producir un páncreas completamente funcional , pero han logrado producir un órgano que funciona en segmentos específicos. Por ejemplo, se demostró que la diabetes en ratas disminuye al sembrar una matriz pancreática en sitios específicos. [6] Las aplicaciones futuras de la matriz tisular descelularizada aún se están descubriendo y se consideran una de las áreas más esperanzadoras en la investigación regenerativa.
