La ingeniería de tejidos es una disciplina de ingeniería biomédica que utiliza una combinación de células , ingeniería , materiales , métodos y factores bioquímicos y fisicoquímicos adecuados para restaurar, mantener, mejorar o reemplazar diferentes tipos de tejidos biológicos . La ingeniería de tejidos a menudo implica el uso de células colocadas en andamios de tejido en la formación de nuevo tejido viable para un propósito médico, pero no se limita a aplicaciones que involucran células y andamios de tejido. Si bien alguna vez se clasificó como un subcampo de los biomateriales , al haber crecido en alcance e importancia, puede considerarse como un campo propio. [1]
Aunque la mayoría de las definiciones de ingeniería de tejidos cubren una amplia gama de aplicaciones, en la práctica, el término está estrechamente asociado con aplicaciones que reparan o reemplazan partes o tejidos completos (es decir , órganos , huesos , cartílagos , [2] vasos sanguíneos , vejiga , piel , músculos , etc.). A menudo, los tejidos involucrados requieren ciertas propiedades mecánicas y estructurales para su correcto funcionamiento. El término también se ha aplicado a los esfuerzos por realizar funciones bioquímicas específicas utilizando células dentro de un sistema de soporte creado artificialmente (por ejemplo, un páncreas artificial o un hígado bioartificial ). El término medicina regenerativa a menudo se usa como sinónimo de ingeniería de tejidos, aunque quienes participan en la medicina regenerativa ponen más énfasis en el uso de células madre o células progenitoras para producir tejidos.
Una definición comúnmente aplicada de ingeniería de tejidos, como lo establecen Langer [3] y Vacanti [4] , es "un campo interdisciplinario que aplica los principios de la ingeniería y las ciencias de la vida al desarrollo de sustitutos biológicos que restauran, mantienen o mejoran la función [del tejido biológico] o de un órgano completo". [5] Además, Langer y Vacanti también afirman que existen tres tipos principales de ingeniería de tejidos: células, sustancias inductoras de tejido y un enfoque de células + matriz (a menudo denominado andamiaje). La ingeniería de tejidos también se ha definido como "la comprensión de los principios del crecimiento de los tejidos y su aplicación para producir tejido de reemplazo funcional para uso clínico". [6] Una descripción adicional continúa diciendo que una "suposición subyacente de la ingeniería de tejidos es que el empleo de la biología natural del sistema permitirá un mayor éxito en el desarrollo de estrategias terapéuticas dirigidas al reemplazo, reparación, mantenimiento o mejora de la función del tejido". [6]
Los avances en el campo multidisciplinario de la ingeniería de tejidos han dado lugar a un nuevo conjunto de piezas de reemplazo de tejidos y estrategias de implementación. Los avances científicos en biomateriales , células madre, factores de crecimiento y diferenciación y entornos biomiméticos han creado oportunidades únicas para fabricar o mejorar tejidos existentes en el laboratorio a partir de combinaciones de matrices extracelulares diseñadas ("andamios"), células y moléculas biológicamente activas. Entre los principales desafíos que enfrenta actualmente la ingeniería de tejidos se encuentra la necesidad de una funcionalidad más compleja, estabilidad biomecánica y vascularización en los tejidos cultivados en laboratorio destinados al trasplante. [7]
El origen histórico del término no está claro, ya que su definición ha cambiado a lo largo de las últimas décadas. El término apareció por primera vez en una publicación de 1984 que describía la organización de una membrana similar al endotelio en la superficie de una prótesis oftálmica sintética implantada a largo plazo . [8]
El primer uso moderno del término tal y como se reconoce hoy en día fue en 1985 por el investigador, fisiólogo y bioingeniero Yuan-Cheng Fung del Centro de Investigación en Ingeniería. Propuso la unión de los términos tejido (en referencia a la relación fundamental entre células y órganos) e ingeniería (en referencia al campo de modificación de dichos tejidos). El término fue adoptado oficialmente en 1987. [8]
Es posible que el conocimiento básico del funcionamiento interno de los tejidos humanos se remonte a una época anterior a la que se cree. Ya en el Neolítico se utilizaban suturas para cerrar heridas y ayudar a la curación. Más tarde, sociedades como el antiguo Egipto desarrollaron mejores materiales para coser heridas, como las suturas de lino. Alrededor del año 2500 a. C., en la antigua India, se desarrollaron injertos de piel cortando piel de las nalgas y suturándola en heridas de orejas, nariz o labios. Los antiguos egipcios solían injertar piel de cadáveres en seres humanos vivos e incluso intentaron utilizar miel como un tipo de antibiótico y grasa como barrera protectora para prevenir infecciones. En los siglos I y II d. C., los galorromanos desarrollaron implantes de hierro forjado y se podían encontrar implantes dentales entre los antiguos mayas.
Si bien estas sociedades antiguas habían desarrollado técnicas que estaban muy adelantadas a su tiempo, aún carecían de una comprensión mecanicista de cómo reaccionaba el cuerpo a estos procedimientos. Este enfoque mecanicista llegó en paralelo con el desarrollo del método empírico de la ciencia iniciado por René Descartes. Sir Isaac Newton comenzó a describir el cuerpo como una "máquina fisicoquímica" y planteó que la enfermedad era un fallo en la máquina.
En el siglo XVII, Robert Hooke descubrió la célula y una carta de Benedict de Spinoza planteó la idea de la homeostasis entre los procesos dinámicos del cuerpo. Los experimentos con hidra realizados por Abraham Trembley en el siglo XVIII comenzaron a ahondar en las capacidades regenerativas de las células. Durante el siglo XIX, una mejor comprensión de cómo reaccionaban los diferentes metales con el cuerpo condujo al desarrollo de mejores suturas y a un cambio hacia los implantes de tornillos y placas para la fijación ósea. Además, a mediados del siglo XIX se planteó por primera vez la hipótesis de que las interacciones entre las células y el entorno y la proliferación celular eran vitales para la regeneración de los tejidos.
A medida que pasa el tiempo y la tecnología avanza, existe una necesidad constante de cambiar el enfoque que adoptan los investigadores en sus estudios. La ingeniería de tejidos ha seguido evolucionando a lo largo de los siglos. En el principio, la gente solía observar y utilizar muestras directamente de cadáveres humanos o animales. Ahora, los ingenieros de tejidos tienen la capacidad de rehacer muchos de los tejidos del cuerpo mediante el uso de técnicas modernas como la microfabricación y la bioimpresión tridimensional junto con células madre o de tejidos nativos. Estos avances han permitido a los investigadores generar nuevos tejidos de una manera mucho más eficiente. Por ejemplo, estas técnicas permiten una mayor personalización que permite una mejor biocompatibilidad, una menor respuesta inmunitaria, la integración celular y la longevidad. No hay duda de que estas técnicas seguirán evolucionando, como hemos seguido viendo cómo evolucionan la microfabricación y la bioimpresión durante la última década.
En 1960, Wichterle y Lim fueron los primeros en publicar experimentos sobre hidrogeles para aplicaciones biomédicas, utilizándolos en la construcción de lentes de contacto. El trabajo en este campo se desarrolló lentamente durante las dos décadas siguientes, pero más tarde encontró impulso cuando los hidrogeles se reutilizaron para la administración de fármacos. En 1984, Charles Hull desarrolló la bioimpresión al convertir una impresora de inyección de tinta Hewlett-Packard en un dispositivo capaz de depositar células en 2-D. La impresión tridimensional (3-D) es un tipo de fabricación aditiva que desde entonces ha encontrado diversas aplicaciones en la ingeniería médica, debido a su alta precisión y eficiencia. Con el desarrollo de las primeras líneas de células madre humanas por parte del biólogo James Thompson en 1998, seguido por el trasplante de los primeros órganos internos cultivados en laboratorio en 1999 y la creación de la primera bioimpresora en 2003 por parte de la Universidad de Missouri, cuando imprimieron esferoides sin necesidad de andamios, la bioimpresión 3-D se utilizó de manera más convencional en el campo médico que nunca. Hasta ahora, los científicos han logrado imprimir miniorganoides y órganos en chips que han proporcionado información práctica sobre las funciones del cuerpo humano. Las compañías farmacéuticas están utilizando estos modelos para probar medicamentos antes de pasar a los estudios con animales. Sin embargo, todavía no se ha impreso un órgano completamente funcional y estructuralmente similar. Un equipo de la Universidad de Utah ha impreso orejas y las ha trasplantado con éxito a niños que nacieron con defectos que dejaron sus orejas parcialmente desarrolladas.
En la actualidad, los hidrogeles se consideran la opción preferida de biotintas para la bioimpresión 3D, ya que imitan la matriz extracelular natural de las células y, al mismo tiempo, contienen propiedades mecánicas fuertes capaces de sustentar estructuras 3D. Además, los hidrogeles en combinación con la bioimpresión 3D permiten a los investigadores producir diferentes estructuras que se pueden utilizar para formar nuevos tejidos u órganos. Los tejidos impresos en 3D aún enfrentan muchos desafíos, como la incorporación de vasculatura. Mientras tanto, la impresión 3D de partes de tejidos definitivamente mejorará nuestra comprensión del cuerpo humano, acelerando así la investigación básica y clínica.
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Según la definición de Langer y Vacanti, [5] los ejemplos de ingeniería de tejidos entran en una o más de tres categorías: "sólo células", "células y andamiaje" o "factores inductores de tejido".
Las células son uno de los componentes principales para el éxito de los enfoques de ingeniería de tejidos. La ingeniería de tejidos utiliza células como estrategias para la creación/reemplazo de tejido nuevo. Algunos ejemplos incluyen fibroblastos utilizados para la reparación o renovación de la piel, [23] condrocitos utilizados para la reparación del cartílago (producto aprobado por MACI–FDA) y hepatocitos utilizados en los sistemas de soporte del hígado.
Las células se pueden utilizar solas o con matrices de soporte para aplicaciones de ingeniería de tejidos. Un entorno adecuado para promover el crecimiento celular, la diferenciación y la integración con el tejido existente es un factor crítico para los bloques de construcción basados en células. [24] La manipulación de cualquiera de estos procesos celulares crea vías alternativas para el desarrollo de nuevo tejido (por ejemplo, reprogramación celular: células somáticas, vascularización).
Las técnicas para el aislamiento de células dependen de la fuente celular. La centrifugación y la aféresis son técnicas que se utilizan para extraer células de fluidos biológicos (por ejemplo, sangre). Mientras que los procesos de digestión, que normalmente utilizan enzimas para eliminar la matriz extracelular (MEC), son necesarios antes de las técnicas de centrifugación o aféresis para extraer células de los tejidos u órganos. La tripsina y la colagenasa son las enzimas más comunes que se utilizan para la digestión de tejidos. Mientras que la tripsina depende de la temperatura, la colagenasa es menos sensible a los cambios de temperatura.
Las células primarias son aquellas que se aíslan directamente del tejido del huésped. Estas células proporcionan un modelo ex vivo del comportamiento celular sin ningún cambio genético, epigenético o de desarrollo, lo que las convierte en una réplica más cercana de las condiciones in vivo que las células derivadas de otros métodos. [25] Sin embargo, esta limitación también puede dificultar su estudio. Se trata de células maduras, a menudo terminalmente diferenciadas, lo que significa que para muchos tipos de células la proliferación es difícil o imposible. Además, los microambientes en los que existen estas células son altamente especializados, lo que a menudo dificulta la replicación de estas condiciones. [26]
Células secundarias Una porción de células de un cultivo primario se traslada a un nuevo depósito/recipiente para continuar cultivándose. Se retira el medio del cultivo primario, se obtienen las células que se desean transferir y luego se cultivan en un nuevo recipiente con medio de crecimiento fresco. [ cita requerida ] Un cultivo celular secundario es útil para garantizar que las células tengan tanto el espacio como los nutrientes que necesitan para crecer. Los cultivos secundarios se utilizan sobre todo en cualquier escenario en el que se desee una mayor cantidad de células de las que se pueden encontrar en el cultivo primario. Las células secundarias comparten las limitaciones de las células primarias (ver más arriba) pero tienen un riesgo añadido de contaminación cuando se transfieren a un nuevo recipiente.
Autólogo: el donante y el receptor de las células son el mismo individuo. Las células se extraen, se cultivan o se almacenan y luego se reintroducen en el huésped. Como resultado de la reintroducción de las propias células del huésped, no se produce una respuesta antigénica. El sistema inmunológico del cuerpo reconoce estas células reimplantadas como propias y no las ataca. La dependencia de las células autólogas de la salud de las células del huésped y la morbilidad del sitio donante pueden ser factores disuasorios para su uso. Las células madre mesenquimales derivadas de tejido adiposo y de médula ósea son comúnmente autólogas por naturaleza y se pueden utilizar de muchas maneras, desde ayudar a reparar el tejido esquelético hasta reponer las células beta en pacientes diabéticos. [27] [28] [29] [30]
Alogénico: las células se obtienen del cuerpo de un donante de la misma especie que el receptor. Si bien existen algunas restricciones éticas para el uso de células humanas para estudios in vitro (es decir, desarrollo de quimeras de tejido cerebral humano [31] ), el empleo de fibroblastos dérmicos del prepucio humano demuestra ser una opción inmunológicamente segura y, por lo tanto, viable para la ingeniería de tejidos alogénicos de la piel.
Xenogénicos: estas células son células aisladas derivadas de especies alternativas del receptor. Un ejemplo notable de utilización de tejido xenogénico es la construcción de implantes cardiovasculares a partir de células animales. La cría quimérica de animales y humanos plantea inquietudes éticas en torno a la posibilidad de mejorar la conciencia mediante la implantación de órganos humanos en animales. [32]
Singénicas o isogénicas: estas células son aquellas que provienen de un código genético idéntico. Esto proporciona un beneficio inmunológico similar al de las líneas celulares autólogas (ver arriba). [33] Las células autólogas pueden considerarse singénicas, pero la clasificación también se extiende a células derivadas de fuentes no autólogas, como las de un gemelo idéntico, de modelos de investigación genéticamente idénticos (clonados) o células madre inducidas (iSC) [34] relacionadas con el donante.
Las células madre son células indiferenciadas con la capacidad de dividirse en cultivo y dar lugar a diferentes formas de células especializadas. Las células madre se dividen en células madre "adultas" y "embrionarias" según su origen. Si bien todavía existe un gran debate ético relacionado con el uso de células madre embrionarias, se cree que otra fuente alternativa, las células madre pluripotentes inducidas , pueden ser útiles para la reparación de tejidos enfermos o dañados, o pueden usarse para desarrollar nuevos órganos.
Las células totipotentes son células madre que pueden dividirse en otras células madre o diferenciarse en cualquier tipo de célula del cuerpo, incluido el tejido extraembrionario.
Las células pluripotentes son células madre que pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula del cuerpo, excepto tejido extraembrionario. Las células madre pluripotentes inducidas (iPSC) son una subclase de células madre pluripotentes que se asemejan a las células madre embrionarias (ESC) que se han derivado de células adultas diferenciadas. Las iPSC se crean alterando la expresión de factores de transcripción en células adultas hasta que se vuelven como células madre embrionarias.
Las células madre multipotentes pueden diferenciarse en cualquier célula de la misma clase, como las células sanguíneas o las células óseas . Un ejemplo común de células multipotentes son las células madre mesenquimales (MSC).
Los andamios son materiales que han sido diseñados para provocar interacciones celulares deseables que contribuyan a la formación de nuevos tejidos funcionales para fines médicos. Las células a menudo se "siembran" en estas estructuras capaces de soportar la formación de tejido tridimensional . Los andamios imitan la matriz extracelular del tejido nativo, recapitulando el entorno in vivo y permitiendo que las células influyan en sus propios microambientes. Por lo general, cumplen al menos uno de los siguientes propósitos: permitir la adhesión y migración de células, entregar y retener células y factores bioquímicos, permitir la difusión de nutrientes celulares vitales y productos expresados, y ejercer ciertas influencias mecánicas y biológicas para modificar el comportamiento de la fase celular.
En 2009, un equipo interdisciplinario dirigido por el cirujano torácico Thorsten Walles implantó con éxito el primer trasplante bioartificial que proporciona una red vascular innata para el suministro de injerto posterior al trasplante en un paciente que esperaba una reconstrucción traqueal. [35]
Para lograr el objetivo de reconstrucción de tejidos, los andamios deben cumplir con algunos requisitos específicos. Una alta porosidad y un tamaño de poro adecuado son necesarios para facilitar la siembra y difusión de células a lo largo de toda la estructura, tanto de células como de nutrientes. La biodegradabilidad es a menudo un factor esencial, ya que los andamios deben ser absorbidos preferiblemente por los tejidos circundantes sin necesidad de extracción quirúrgica. La velocidad a la que se produce la degradación tiene que coincidir lo más posible con la velocidad de formación de tejido: esto significa que mientras las células están fabricando su propia estructura de matriz natural a su alrededor, el andamio es capaz de proporcionar integridad estructural dentro del cuerpo y, finalmente, se descompondrá dejando el tejido recién formado que asumirá la carga mecánica. La inyectabilidad también es importante para los usos clínicos. Investigaciones recientes sobre la impresión de órganos están demostrando lo crucial que es un buen control del entorno 3D para garantizar la reproducibilidad de los experimentos y ofrecer mejores resultados.
La selección de materiales es un aspecto esencial de la producción de un andamio. Los materiales utilizados pueden ser naturales o sintéticos y pueden ser biodegradables o no biodegradables. Además, deben ser biocompatibles, es decir, que no provoquen efectos adversos a las células. [37] La silicona, por ejemplo, es un material sintético y no biodegradable que se utiliza habitualmente como material de administración de fármacos, [38] [39] mientras que la gelatina es un material biodegradable y natural que se utiliza habitualmente en andamios de cultivo celular [40] [41] [42]
El material necesario para cada aplicación es diferente y depende de las propiedades mecánicas deseadas del material. La ingeniería tisular de defectos en huesos largos, por ejemplo, requerirá un andamio rígido con una resistencia a la compresión similar a la del hueso cortical (100-150 MPa), que es mucho mayor en comparación con un andamio para la regeneración de la piel. [43] [44]
Existen algunos materiales sintéticos versátiles que se utilizan para muchas aplicaciones de andamiaje diferentes. Uno de estos materiales comúnmente utilizados es el ácido poliláctico (PLA), un polímero sintético. PLA – ácido poliláctico. Este es un poliéster que se degrada dentro del cuerpo humano para formar ácido láctico , una sustancia química natural que se elimina fácilmente del cuerpo. Materiales similares son el ácido poliglicólico (PGA) y la policaprolactona (PCL): su mecanismo de degradación es similar al del PLA, pero el PCL se degrada más lentamente y el PGA se degrada más rápido. [ cita requerida ] El PLA se combina comúnmente con PGA para crear ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA). Esto es especialmente útil porque la degradación del PLGA se puede adaptar alterando los porcentajes de peso de PLA y PGA: más PLA: degradación más lenta, más PGA: degradación más rápida. Esta capacidad de ajuste, junto con su biocompatibilidad, lo convierte en un material extremadamente útil para la creación de andamiajes. [ 45 ]
Los andamios también pueden construirse a partir de materiales naturales: en particular, se han estudiado diferentes derivados de la matriz extracelular para evaluar su capacidad para soportar el crecimiento celular. Los materiales basados en proteínas, como el colágeno o la fibrina , y los materiales polisacáridos, como el quitosano [46] o los glicosaminoglicanos (GAG), han demostrado ser adecuados en términos de compatibilidad celular. Entre los GAG, el ácido hialurónico , posiblemente en combinación con agentes de reticulación (por ejemplo, glutaraldehído , carbodiimida soluble en agua , etc.), es una de las posibles opciones como material de andamiaje. Debido a la unión covalente de los grupos tiol a estos polímeros, pueden reticularse mediante la formación de enlaces disulfuro. [47] El uso de polímeros tiolados ( tiomeros ) como material de andamiaje para ingeniería de tejidos se introdujo inicialmente en el 4º Simposio Centroeuropeo sobre Tecnología Farmacéutica en Viena en 2001. [48] Como los tiómeros son biocompatibles, exhiben propiedades de imitación celular y apoyan eficientemente la proliferación y diferenciación de varios tipos de células, se utilizan ampliamente como andamiajes para ingeniería de tejidos. [49] [50] [51] Además, se ha demostrado que tiómeros como el ácido hialurónico tiolado [52] y el quitosano tiolado [53] exhiben propiedades de cicatrización de heridas y son objeto de numerosos ensayos clínicos . [54] Además, un fragmento de una proteína de la matriz extracelular, como el péptido RGD , se puede acoplar a un material no bioactivo para promover la unión celular. [55] Otra forma de andamiaje es el tejido descelularizado. Este es un proceso en el que se utilizan productos químicos para extraer células de los tejidos, dejando solo la matriz extracelular. Esto tiene la ventaja de que se obtiene una matriz completamente formada específica para el tipo de tejido deseado. Sin embargo, el andamio descelularizado puede presentar problemas inmunológicos con las células introducidas en el futuro.
En la literatura se han descrito diversos métodos para preparar estructuras porosas que se utilizarán como soportes de ingeniería de tejidos. Cada una de estas técnicas presenta sus propias ventajas, pero ninguna está exenta de inconvenientes.
El autoensamblaje molecular es uno de los pocos métodos para crear biomateriales con propiedades similares en escala y química a las de la matriz extracelular (ECM) natural in vivo , un paso crucial hacia la ingeniería tisular de tejidos complejos. [56] Además, estos andamios de hidrogel han demostrado superioridad en toxicología y biocompatibilidad in vivo en comparación con los macroandamios tradicionales y los materiales derivados de animales.
Estas técnicas incluyen todos los enfoques que se han empleado con éxito para la preparación de mallas no tejidas de diferentes polímeros . En particular, se han probado estructuras no tejidas de poliglicólidos para aplicaciones de ingeniería de tejidos: se ha descubierto que dichas estructuras fibrosas son útiles para hacer crecer diferentes tipos de células. Los principales inconvenientes están relacionados con las dificultades para obtener una alta porosidad y un tamaño de poro regular.
El colado con disolventes y la lixiviación de partículas (SCPL) permiten la preparación de estructuras con porosidad regular, pero con un espesor limitado. Primero, el polímero se disuelve en un disolvente orgánico adecuado (por ejemplo, el ácido poliláctico podría disolverse en diclorometano ), luego la solución se cuela en un molde lleno de partículas porógenas. Dicho porógeno puede ser una sal inorgánica como cloruro de sodio , cristales de sacarosa , esferas de gelatina o esferas de parafina . El tamaño de las partículas porógenas afectará el tamaño de los poros del andamio, mientras que la relación polímero-porógeno está directamente correlacionada con la cantidad de porosidad de la estructura final. Después de que la solución de polímero se ha colado, se permite que el disolvente se evapore por completo, luego la estructura compuesta en el molde se sumerge en un baño de un líquido adecuado para disolver el porógeno: agua en el caso del cloruro de sodio, la sacarosa y la gelatina o un disolvente alifático como el hexano para su uso con parafina. Una vez que el porógeno se ha disuelto por completo, se obtiene una estructura porosa. Además del pequeño rango de espesores que se puede obtener, otro inconveniente del SCPL radica en el uso de disolventes orgánicos que deben eliminarse por completo para evitar posibles daños a las células sembradas en el andamio.
Para superar la necesidad de utilizar disolventes orgánicos y porógenos sólidos, se ha desarrollado una técnica que utiliza gas como porógeno. En primer lugar, se preparan estructuras en forma de disco hechas del polímero deseado mediante moldeo por compresión utilizando un molde calentado. A continuación, los discos se colocan en una cámara donde se exponen a CO2 a alta presión durante varios días. La presión dentro de la cámara se restablece gradualmente a los niveles atmosféricos. Durante este procedimiento, los poros se forman por las moléculas de dióxido de carbono que abandonan el polímero, lo que da como resultado una estructura similar a una esponja. Los principales problemas que resultan de esta técnica son causados por el calor excesivo utilizado durante el moldeo por compresión (que prohíbe la incorporación de cualquier material lábil a la temperatura en la matriz del polímero) y por el hecho de que los poros no forman una estructura interconectada.
Esta técnica no requiere el uso de un porógeno sólido como SCPL. Primero, se disuelve un polímero sintético en un disolvente adecuado (por ejemplo, ácido poliláctico en diclorometano), luego se agrega agua a la solución polimérica y se mezclan los dos líquidos para obtener una emulsión . Antes de que las dos fases puedan separarse, la emulsión se vierte en un molde y se congela rápidamente mediante inmersión en nitrógeno líquido . La emulsión congelada se liofiliza posteriormente para eliminar el agua dispersada y el disolvente, dejando así una estructura polimérica porosa y solidificada. Si bien la emulsificación y la liofilización permiten una preparación más rápida en comparación con SCPL (ya que no requiere un paso de lixiviación que consume mucho tiempo), aún requiere el uso de disolventes. Además, el tamaño de los poros es relativamente pequeño y la porosidad es a menudo irregular. La liofilización por sí sola también es una técnica comúnmente empleada para la fabricación de andamios. En particular, se utiliza para preparar esponjas de colágeno: el colágeno se disuelve en soluciones ácidas de ácido acético o ácido clorhídrico que se vierten en un molde, se congelan con nitrógeno líquido y luego se liofilizan .
De manera similar a la técnica anterior, el procedimiento de separación de fases TIPS requiere el uso de un disolvente con un punto de fusión bajo que sea fácil de sublimar. Por ejemplo, se podría utilizar dioxano para disolver ácido poliláctico, luego se induce la separación de fases mediante la adición de una pequeña cantidad de agua: se forman una fase rica en polímero y una fase pobre en polímero. Después de enfriar por debajo del punto de fusión del disolvente y algunos días de secado al vacío para sublimar el disolvente, se obtiene un andamio poroso. La separación de fases líquido-líquido presenta los mismos inconvenientes de la emulsificación/liofilización. [57]
El electrohilado es una técnica muy versátil que se puede utilizar para producir fibras continuas cuyo diámetro varía desde unos pocos micrones hasta unos pocos nanómetros. En una configuración típica de electrohilado, el material de andamiaje deseado se disuelve en un disolvente y se coloca dentro de una jeringa. Esta solución se introduce a través de una aguja y se aplica un alto voltaje a la punta y a una superficie de recolección conductora. La acumulación de fuerzas electrostáticas dentro de la solución hace que esta expulse una corriente fibrosa delgada hacia la superficie de recolección con carga opuesta o conectada a tierra. Durante este proceso, el disolvente se evapora, dejando fibras sólidas que forman una red altamente porosa. Esta técnica es altamente ajustable, con variación en función del disolvente, el voltaje, la distancia de trabajo (distancia desde la aguja hasta la superficie de recolección), el caudal de la solución, la concentración de soluto y la superficie de recolección. Esto permite un control preciso de la morfología de la fibra.
Sin embargo, a nivel comercial , debido a razones de escalabilidad, hay 40 o, a veces, 96 agujas involucradas operando al mismo tiempo. Los obstáculos en tales configuraciones son: 1) mantener las variables mencionadas anteriormente de manera uniforme para todas las agujas y 2) la formación de "perlas" en fibras individuales que nosotros, como ingenieros, queremos que tengan un diámetro uniforme. Al modificar variables como la distancia al colector, la magnitud del voltaje aplicado o el caudal de la solución, los investigadores pueden cambiar drásticamente la arquitectura general del andamio.
Históricamente, la investigación sobre los andamios fibrosos electrohilados se remonta al menos a fines de la década de 1980, cuando Simon demostró que el electrohilado podía usarse para producir andamios fibrosos a escala nanométrica y submicrométrica a partir de soluciones de polímeros específicamente diseñadas para usarse como sustratos de células y tejidos in vitro . Este uso temprano de redes electrohiladas para el cultivo celular y la ingeniería de tejidos mostró que varios tipos de células se adherirían y proliferarían sobre las fibras de policarbonato. Se observó que, a diferencia de la morfología aplanada que se observa típicamente en el cultivo 2D, las células cultivadas en las fibras electrohiladas exhibían una morfología tridimensional más redondeada que generalmente se observa en los tejidos in vivo . [58]
Debido a que la mayoría de las técnicas anteriores son limitadas en lo que respecta al control de la porosidad y el tamaño de los poros, se han introducido técnicas de diseño y fabricación asistidas por computadora en la ingeniería de tejidos. Primero, se diseña una estructura tridimensional utilizando un software CAD. La porosidad se puede adaptar utilizando algoritmos dentro del software. [59] Luego, el andamio se realiza mediante el uso de impresión por inyección de tinta de polvos de polímero o mediante modelado por deposición fundida de una masa fundida de polímero. [60]
Un estudio de 2011 realizado por El-Ayoubi et al. investigó la "técnica de trazado 3D para producir andamios macroporosos de poli-L-láctido ( biocompatibles y biodegradables ) con dos tamaños de poro diferentes" mediante fabricación de forma libre sólida (SSF) con diseño asistido por computadora (CAD), para explorar el reemplazo terapéutico del cartílago articular como una "alternativa a la reparación tisular convencional". [61] El estudio encontró que cuanto menor sea el tamaño del poro junto con el estrés mecánico en un biorreactor (para inducir condiciones similares a las in vivo), mayor será la viabilidad celular en la funcionalidad terapéutica potencial al disminuir el tiempo de recuperación y aumentar la efectividad del trasplante. [61]
En un estudio de 2012, [62] Koch et al. se centraron en si la bioimpresión asistida por láser (LaBP) se puede utilizar para construir patrones 3D multicelulares en una matriz natural, y si los constructos generados funcionan y forman tejido. LaBP organiza pequeños volúmenes de suspensiones de células vivas en patrones establecidos de alta resolución. [62] La investigación fue exitosa, los investigadores prevén que "los constructos de tejido generados podrían usarse para pruebas in vivo implantándolos en modelos animales " (14). A partir de este estudio, solo se ha sintetizado tejido de piel humana, aunque los investigadores proyectan que "al integrar otros tipos de células (por ejemplo, melanocitos , células de Schwann , células del folículo piloso) en el constructo celular impreso, se puede analizar el comportamiento de estas células en un microambiente in vitro 3D similar al natural", lo que es útil para el descubrimiento de fármacos y estudios toxicológicos . [62]
Gustafsson et al. [63] demostraron la creación de membranas bioactivas independientes de un área de un centímetro, pero de solo 250 nm de espesor, que se formaron mediante el autoensamblaje de seda de araña en la interfase de una solución acuosa. Las membranas combinan de manera única un espesor a escala nanométrica, biodegradabilidad, una tensión y resistencia ultraelevadas, permeabilidad a las proteínas y promueven una rápida adhesión y proliferación celular. Demostraron el crecimiento de una capa coherente de queratinocitos. Estas nanomembranas de seda de araña también se han utilizado para crear un modelo estático in vitro de un vaso sanguíneo. [64]
La regeneración tisular in situ se define como la implantación de biomateriales (solos o en combinación con células y/o biomoléculas) en el defecto tisular, utilizando el microambiente circundante del organismo como un biorreactor natural. [65] Este enfoque ha encontrado aplicación en la regeneración ósea, [66] permitiendo la formación de construcciones sembradas con células directamente en el quirófano. [67]
Un problema persistente en la ingeniería de tejidos son las limitaciones en el transporte de masa. Los tejidos diseñados generalmente carecen de un suministro de sangre inicial, lo que dificulta que las células implantadas obtengan suficiente oxígeno y nutrientes para sobrevivir o funcionar correctamente.
Se ha demostrado que los métodos de autoensamblaje son métodos prometedores para la ingeniería de tejidos. Los métodos de autoensamblaje tienen la ventaja de permitir que los tejidos desarrollen su propia matriz extracelular, lo que da como resultado un tejido que recapitula mejor las propiedades bioquímicas y biomecánicas del tejido nativo. El cartílago articular diseñado por autoensamblaje fue presentado por Jerry Hu y Kyriacos A. Athanasiou en 2006 [68] y las aplicaciones del proceso han dado como resultado un cartílago diseñado que se acerca a la resistencia del tejido nativo. [69] El autoensamblaje es una tecnología de primera para lograr que las células cultivadas en un laboratorio se ensamblen en formas tridimensionales. Para descomponer los tejidos en células, los investigadores primero tienen que disolver la matriz extracelular que normalmente los une. Una vez que las células están aisladas, deben formar las estructuras complejas que componen nuestros tejidos naturales.
La superficie aire-líquido establecida por las ondas de Faraday se explora como una plantilla para ensamblar entidades biológicas para la ingeniería de tejidos de abajo hacia arriba. Esta plantilla basada en líquido se puede reconfigurar dinámicamente en unos pocos segundos, y el ensamblaje en la plantilla se puede lograr de manera escalable y paralela. Se demostró el ensamblaje de hidrogeles a microescala, células, microesferoides portadores sembrados con neuronas y esferoides celulares en varias estructuras simétricas y periódicas con buena viabilidad celular. La formación de una red neuronal 3D se logró después de 14 días de cultivo de tejidos. [70]
Es posible imprimir órganos, o incluso organismos enteros, mediante técnicas de fabricación aditiva . Un método innovador de construcción reciente utiliza un mecanismo de inyección de tinta para imprimir capas precisas de células en una matriz de gel termorreversible. Se han impreso células endoteliales, las células que recubren los vasos sanguíneos, en un conjunto de anillos apilados. Cuando se incuban, se fusionan en un tubo. [60] [71] Esta técnica se ha denominado "bioimpresión" en el campo, ya que implica la impresión de componentes biológicos en una estructura que se asemeja al órgano en cuestión.
El campo de los modelos tridimensionales y de alta precisión de sistemas biológicos es pionero en múltiples proyectos y tecnologías, incluido un método rápido para crear tejidos e incluso órganos completos que involucra una impresora 3D que puede bioimprimir el andamiaje y las células capa por capa en una muestra de tejido u órgano funcional. El dispositivo se presenta en una charla TED por el Dr. Anthony Atala, MD, Director del Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa y Profesor WH Boyce y Presidente del Departamento de Urología de la Universidad Wake Forest, en la que se imprime un riñón en el escenario durante el seminario y luego se presenta a la multitud. [72] [73] [74] Se anticipa que esta tecnología permitirá la producción de hígados en el futuro para trasplantes y, teóricamente, también para toxicología y otros estudios biológicos.
En 2015, se empleó el procesamiento multifotónico (MPP) para experimentos in vivo mediante la ingeniería de estructuras de cartílago artificial. Un examen histológico ex vivo mostró que cierta geometría de poro y el precrecimiento de condrocitos (Cho) antes de la implantación mejora significativamente el rendimiento de los andamios tridimensionales creados. La biocompatibilidad lograda fue comparable a la de las membranas de colágeno disponibles comercialmente. El resultado exitoso de este estudio respalda la idea de que los andamios híbridos orgánicos-inorgánicos microestructurados con forma de poro hexagonal en combinación con la siembra de Cho pueden implementarse con éxito para la ingeniería de tejidos de cartílago. [75]
Recientemente, la ingeniería de tejidos ha avanzado con un enfoque en la vascularización. Mediante la fabricación aditiva basada en la polimerización de dos fotones, se crean redes de microvasos sintéticos en 3D a partir de estructuras de hidrogel tubulares. Estas redes pueden perfundir tejidos de varios milímetros cúbicos de tamaño, lo que permite la viabilidad a largo plazo y el crecimiento celular in vitro. Esta innovación marca un avance significativo en la ingeniería de tejidos, facilitando el desarrollo de modelos de tejidos humanos complejos. [76]
En 2013, utilizando un andamiaje tridimensional de Matrigel en varias configuraciones, se produjeron organoides pancreáticos sustanciales in vitro. Grupos de pequeñas cantidades de células proliferaron hasta 40.000 células en una semana. Los grupos se transforman en células que producen enzimas digestivas u hormonas como la insulina , y se autoorganizan en organoides pancreáticos ramificados que se parecen al páncreas. [77]
Las células son sensibles al entorno, como la rigidez del gel y el contacto con otras células. Las células individuales no prosperan; se requirió un mínimo de cuatro células próximas para el desarrollo posterior de organoides. Las modificaciones a la composición del medio produjeron esferas huecas compuestas principalmente de progenitores pancreáticos u organoides complejos que experimentan espontáneamente morfogénesis y diferenciación pancreática. El mantenimiento y la expansión de los progenitores pancreáticos requieren señalización activa de Notch y FGF , recapitulando las interacciones de señalización de nicho in vivo. [77]
Se consideró que los organoides podrían ofrecer miniórganos para pruebas de drogas y células productoras de insulina de repuesto. [77]
Además de los andamios 3-D de Matrigel, se han desarrollado otros sistemas de gel de colágeno. Los andamios de colágeno/ácido hialurónico se han utilizado para modelar la glándula mamaria in vitro mientras se cultivan conjuntamente células epiteliales y adipocitos. El kit HyStem es otra plataforma 3-D que contiene componentes de la matriz extracelular y ácido hialurónico que se ha utilizado para la investigación del cáncer. Además, los componentes del hidrogel se pueden modificar químicamente para ayudar a la reticulación y mejorar sus propiedades mecánicas.
En muchos casos, la creación de tejidos funcionales y estructuras biológicas in vitro requiere un cultivo extenso para promover la supervivencia, el crecimiento y la inducción de la funcionalidad. En general, los requisitos básicos de las células deben mantenerse en el cultivo, que incluyen oxígeno , pH , humedad , temperatura , nutrientes y mantenimiento de la presión osmótica .
Los cultivos de tejidos modificados también presentan problemas adicionales para mantener las condiciones de cultivo. En los cultivos celulares estándar, la difusión es a menudo el único medio de transporte de nutrientes y metabolitos. Sin embargo, a medida que un cultivo se hace más grande y más complejo, como es el caso de los órganos modificados y los tejidos completos, se deben emplear otros mecanismos para mantener el cultivo, como la creación de redes capilares dentro del tejido.
Otro problema con el cultivo de tejidos es la introducción de los factores o estímulos adecuados necesarios para inducir la funcionalidad. En muchos casos, el simple cultivo de mantenimiento no es suficiente. A veces se requieren factores de crecimiento , hormonas , metabolitos o nutrientes específicos, estímulos químicos y físicos. Por ejemplo, ciertas células responden a cambios en la tensión de oxígeno como parte de su desarrollo normal, como los condrocitos , que deben adaptarse a condiciones de bajo oxígeno o hipoxia durante el desarrollo esquelético. Otras, como las células endoteliales, responden al esfuerzo cortante del flujo de fluidos, que se encuentra en los vasos sanguíneos . Los estímulos mecánicos, como los pulsos de presión, parecen ser beneficiosos para todo tipo de tejido cardiovascular, como las válvulas cardíacas, los vasos sanguíneos o el pericardio.
En ingeniería de tejidos, un biorreactor es un dispositivo que intenta simular un entorno fisiológico para promover el crecimiento de células o tejidos in vitro. Un entorno fisiológico puede constar de muchos parámetros diferentes, como la temperatura, la presión, la concentración de oxígeno o dióxido de carbono o la osmolalidad del entorno fluido, y puede extenderse a todo tipo de estímulos biológicos, químicos o mecánicos. Por lo tanto, existen sistemas que pueden incluir la aplicación de fuerzas como fuerzas electromagnéticas, presiones mecánicas o presiones de fluidos al tejido. Estos sistemas pueden ser configuraciones bidimensionales o tridimensionales. Los biorreactores se pueden utilizar tanto en aplicaciones académicas como industriales. También se encuentran disponibles comercialmente biorreactores de uso general y de aplicación específica, que pueden proporcionar estimulación química estática o una combinación de estimulación química y mecánica.
La proliferación y diferenciación celular están influenciadas en gran medida por señales mecánicas [78] y bioquímicas [79] en el entorno de la matriz extracelular circundante. Los biorreactores se desarrollan típicamente para replicar el entorno fisiológico específico del tejido que se está cultivando (por ejemplo, flexión y cizallamiento de fluidos para el crecimiento del tejido cardíaco). [80] Esto puede permitir que las líneas celulares especializadas prosperen en cultivos que replican sus entornos nativos, pero también hace que los biorreactores sean herramientas atractivas para el cultivo de células madre . Un biorreactor basado en células madre exitoso es eficaz para expandir células madre con propiedades uniformes y/o promover la diferenciación controlada y reproducible en tipos de células maduras seleccionadas. [81]
Hay una variedad de biorreactores diseñados para cultivos celulares en 3D. Hay pequeñas cámaras cilíndricas de plástico, así como cámaras de vidrio, con humedad interna regulada y humedad diseñadas específicamente para el propósito de cultivar células en tres dimensiones. [82] El biorreactor utiliza materiales sintéticos bioactivos como membranas de tereftalato de polietileno para rodear las células esferoides en un entorno que mantiene altos niveles de nutrientes. [83] [84] Son fáciles de abrir y cerrar, de modo que los esferoides celulares se pueden retirar para realizar pruebas, pero la cámara puede mantener una humedad del 100% en todo momento. [85] Esta humedad es importante para lograr el máximo crecimiento y funcionamiento de las células. La cámara del biorreactor es parte de un dispositivo más grande que gira para garantizar un crecimiento celular uniforme en cada dirección a lo largo de tres dimensiones. [85]
QuinXell Technologies, ahora bajo el control de Quintech Life Sciences de Singapur, ha desarrollado un biorreactor conocido como Biorreactor Biaxial TisXell, que está especialmente diseñado para fines de ingeniería de tejidos. Es el primer biorreactor del mundo que tiene una cámara esférica de vidrio con rotación biaxial ; específicamente para imitar la rotación del feto en el útero; lo que proporciona un entorno propicio para el crecimiento de los tejidos. [86]
También se han combinado múltiples formas de estimulación mecánica en un único biorreactor. Mediante el análisis de la expresión genética, un estudio académico descubrió que la aplicación de una combinación de estimulación por ultrasonidos y deformación cíclica a células preosteoblásticas en un biorreactor aceleraba la maduración y diferenciación de la matriz. [87] La tecnología de este biorreactor de estimulación combinada podría utilizarse para hacer crecer células óseas de forma más rápida y eficaz en futuras terapias clínicas con células madre. [88]
MC2 Biotek también ha desarrollado un biorreactor conocido como ProtoTissue [82] que utiliza el intercambio de gases para mantener altos niveles de oxígeno dentro de la cámara celular; mejorando los biorreactores anteriores, ya que los niveles más altos de oxígeno ayudan a la célula a crecer y a experimentar una respiración celular normal . [89]
Las áreas de investigación activas sobre biorreactores incluyen el aumento de la escala de producción y el refinamiento del entorno fisiológico, que podrían mejorar la eficiencia y eficacia de los biorreactores en la investigación o el uso clínico. Los biorreactores se utilizan actualmente para estudiar, entre otras cosas, terapias a nivel celular y tisular, la respuesta celular y tisular a cambios específicos del entorno fisiológico y el desarrollo de enfermedades y lesiones.
En 2013, un grupo de la Universidad de Tokio desarrolló fibras cargadas de células de hasta un metro de longitud y del orden de 100 μm de tamaño. [90] Estas fibras se crearon utilizando un dispositivo microfluídico que forma un flujo laminar coaxial doble. Cada 'capa' del dispositivo microfluídico (células sembradas en ECM , una vaina de hidrogel y finalmente una solución de cloruro de calcio). Las células sembradas se cultivan dentro de la vaina de hidrogel durante varios días y luego se retira la vaina con fibras celulares viables. Se insertaron varios tipos de células en el núcleo de ECM, incluidos miocitos , células endoteliales , fibras de células nerviosas y fibras de células epiteliales . Luego, este grupo demostró que estas fibras se pueden tejer juntas para fabricar tejidos u órganos en un mecanismo similar al tejido textil . Las morfologías fibrosas son ventajosas porque brindan una alternativa al diseño de andamiaje tradicional, y muchos órganos (como el músculo) están compuestos de células fibrosas.
Un órgano artificial es un dispositivo diseñado que puede ser extracorpóreo o implantado para dar soporte a sistemas orgánicos dañados o defectuosos. [91] Los órganos bioartificiales se crean normalmente con la intención de restaurar funciones biológicas críticas, como en el reemplazo de corazones y pulmones enfermos, o proporcionar mejoras drásticas en la calidad de vida, como en el uso de piel diseñada en víctimas de quemaduras. [91] Si bien algunos ejemplos de órganos bioartificiales aún se encuentran en la etapa de investigación de desarrollo debido a las limitaciones que implica la creación de órganos funcionales, otros se están utilizando actualmente en entornos clínicos de manera experimental y comercial. [92]
Las máquinas de oxigenación por membrana extracorpórea (ECMO), también conocidas como máquinas de corazón y pulmón, son una adaptación de las técnicas de derivación cardiopulmonar que brindan apoyo al corazón y a los pulmones. [93] Se utiliza principalmente para brindar apoyo a los pulmones durante un período prolongado pero aún temporal (1 a 30 días) y permitir la recuperación de enfermedades reversibles. [93] Robert Bartlett es conocido como el padre de la ECMO y realizó el primer tratamiento de un recién nacido utilizando una máquina ECMO en 1975. [94]
Piel
La piel obtenida por ingeniería tisular es un tipo de órgano bioartificial que se utiliza a menudo para tratar quemaduras, úlceras del pie diabético u otras heridas grandes que no pueden sanar bien por sí solas. La piel artificial se puede hacer a partir de autoinjertos, aloinjertos y xenoinjertos. La piel autoinjertada proviene de la propia piel del paciente, lo que permite que la dermis tenga una tasa de curación más rápida, y el sitio donante se puede volver a recolectar varias veces. La piel aloinjertada a menudo proviene de piel de cadáver y se utiliza principalmente para tratar a víctimas de quemaduras. Por último, la piel xenoinjertada proviene de animales y proporciona una estructura de curación temporal para la piel. Ayudan en la regeneración dérmica, pero no pueden convertirse en parte de la piel del huésped. [23] La piel obtenida por ingeniería tisular ahora está disponible en productos comerciales. Integra, originalmente utilizada solo para tratar quemaduras, consta de una matriz de colágeno y sulfato de condroitina que se puede utilizar como reemplazo de la piel. El sulfato de condroitina funciona como un componente de los proteoglicanos, lo que ayuda a formar la matriz extracelular. [95] Integra puede repoblarse y revascularizarse manteniendo su arquitectura de colágeno dérmico, lo que lo convierte en un órgano bioartificial. [96] Dermagraft, otro producto de piel diseñado mediante ingeniería tisular y fabricado comercialmente, está hecho de fibroblastos vivos. Estos fibroblastos proliferan y producen factores de crecimiento, colágeno y proteínas de la matriz extracelular que ayudan a generar tejido de granulación. [97]
Dado que el número de pacientes que esperan un trasplante de corazón aumenta continuamente con el tiempo, y el número de pacientes en la lista de espera supera la disponibilidad de órganos, [98] los órganos artificiales utilizados como terapia de reemplazo para la insuficiencia cardíaca terminal ayudarían a aliviar esta dificultad. Los corazones artificiales se utilizan generalmente para hacer de puente con el trasplante de corazón o se pueden aplicar como terapia de reemplazo para el mal funcionamiento terminal del corazón. [99] El corazón artificial total (TAH), introducido por primera vez por el Dr. Vladimir P. Demikhov en 1937, [100] surgió como una alternativa ideal. Desde entonces, se ha desarrollado y mejorado como una bomba mecánica que proporciona apoyo circulatorio a largo plazo y reemplaza los ventrículos cardíacos enfermos o dañados que no pueden bombear la sangre adecuadamente, restaurando así el flujo pulmonar y sistémico. [101] Algunos de los TAH actuales incluyen AbioCor, un dispositivo aprobado por la FDA que comprende dos ventrículos artificiales y sus válvulas, y no requiere conexiones subcutáneas, y está indicado para pacientes con insuficiencia cardíaca biventricular. En 2010, SynCardia lanzó el controlador portátil Freedom, que permite a los pacientes tener un dispositivo portátil sin estar confinados en el hospital. [102]
Si bien los trasplantes de riñón son posibles, la insuficiencia renal se trata con mayor frecuencia utilizando un riñón artificial. [103] Los primeros riñones artificiales y la mayoría de los que se utilizan actualmente son extracorpóreos, como en la hemodiálisis, que filtra la sangre directamente, o la diálisis peritoneal, que filtra a través de un líquido en el abdomen. [103] [104] Para contribuir a las funciones biológicas de un riñón, como la producción de factores metabólicos u hormonas, algunos riñones artificiales incorporan células renales. [103] [104] Se ha avanzado en la forma de hacer que estos dispositivos sean más pequeños y más transportables, o incluso implantables. Un desafío que aún queda por enfrentar en estos dispositivos más pequeños es contrarrestar el volumen limitado y, por lo tanto, las capacidades de filtrado limitadas. [103]
También se han introducido bioandamios para proporcionar un marco sobre el cual se pueda regenerar el tejido renal normal. Estos andamios abarcan andamios naturales (p. ej., riñones descelularizados, [105] hidrogel de colágeno, [106] [107] o fibroína de seda [108] ), andamios sintéticos (p. ej., ácido poli[láctico-co-glicólico] [109] [110] u otros polímeros), o una combinación de dos o más andamios naturales y sintéticos. Estos andamios se pueden implantar en el cuerpo sin tratamiento celular o después de un período de siembra e incubación de células madre. Se están realizando estudios in vitro e in vivo para comparar y optimizar el tipo de andamio y para evaluar si la siembra de células antes de la implantación aumenta la viabilidad, la regeneración y la función efectiva de los riñones. Una revisión sistemática y un metanálisis recientes compararon los resultados de estudios animales publicados e identificaron que se informan mejores resultados con el uso de andamios híbridos (mixtos) y siembra de células; [111] Sin embargo, el metanálisis de estos resultados no concordó con la evaluación de los resultados descriptivos de la revisión. Por lo tanto, se recomienda realizar estudios adicionales que incluyan animales más grandes y estructuras novedosas, así como una reproducción más transparente de los estudios previos.
La biomimética es un campo que tiene como objetivo producir materiales y sistemas que repliquen aquellos presentes en la naturaleza. [112] En el contexto de la ingeniería de tejidos, este es un enfoque común utilizado por los ingenieros para crear materiales para estas aplicaciones que sean comparables a los tejidos nativos en términos de su estructura, propiedades y biocompatibilidad. Las propiedades de los materiales dependen en gran medida de las características físicas, estructurales y químicas de ese material. Posteriormente, un enfoque biomimético para el diseño de sistemas será significativo en la integración de materiales, y será necesaria una comprensión suficiente de los procesos e interacciones biológicas. La replicación de sistemas y procesos biológicos también se puede utilizar en la síntesis de materiales bioinspirados para lograr condiciones que produzcan el material biológico deseado. Por lo tanto, si se sintetiza un material que tiene las mismas características de los tejidos biológicos tanto estructural como químicamente, entonces idealmente el material sintetizado tendrá propiedades similares. Esta técnica tiene una extensa historia que se origina de la idea de utilizar fenómenos naturales como inspiración de diseño para soluciones a problemas humanos. Muchos avances modernos en tecnología se han inspirado en la naturaleza y los sistemas naturales, incluidos los aviones, los automóviles, la arquitectura e incluso los sistemas industriales. Los avances en nanotecnología dieron inicio a la aplicación de esta técnica a problemas de micro y nanoescala , incluida la ingeniería de tejidos. Esta técnica se ha utilizado para desarrollar tejidos óseos sintéticos, tecnologías vasculares, materiales de andamiaje y técnicas de integración, y nanopartículas funcionalizadas. [112]
En 2018, los científicos de la Universidad Brandeis informaron sobre su investigación sobre material blando incrustado con redes químicas que pueden imitar el comportamiento suave y coordinado del tejido neuronal. Esta investigación fue financiada por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU . [113] Los investigadores presentaron un sistema experimental de redes neuronales, modeladas teóricamente como sistemas de reacción-difusión . Dentro de las redes había una serie de reactores estampados, cada uno de los cuales realizaba la reacción de Belousov-Zhabotinsky (BZ). Estos reactores podrían funcionar a escala nanométrica. [114]
Los investigadores afirman que la inspiración para su proyecto fue el movimiento de la anguila de cinta azul . Los movimientos de la anguila están controlados por impulsos eléctricos determinados por una clase de redes neuronales llamadas generadores de patrones centrales . Los generadores de patrones centrales funcionan dentro del sistema nervioso autónomo para controlar funciones corporales como la respiración, el movimiento y el peristaltismo . [115]
Las cualidades del reactor que se diseñaron fueron la topología de la red, las condiciones de contorno , las condiciones iniciales, el volumen del reactor, la fuerza de acoplamiento y la polaridad sináptica del reactor (si su comportamiento es inhibidor o excitador). [115] Se diseñó un sistema de emulsión BZ con un elastómero sólido polidimetilsiloxano (PDMS). Se ha informado que tanto el PDMS permeable a la luz como al bromo son métodos viables para crear un marcapasos para redes neuronales. [114]
La historia del mercado de la ingeniería de tejidos se puede dividir en tres partes principales: el período anterior al colapso del mercado biotecnológico a principios de la década de 2000, el colapso y el período posterior.
La mayoría de los primeros avances en la investigación de ingeniería de tejidos se realizaron en los EE. UU. Esto se debe a regulaciones menos estrictas con respecto a la investigación con células madre y a una mayor financiación disponible que en otros países. Esto conduce a la creación de nuevas empresas académicas, muchas de ellas provenientes de Harvard o el MIT . Algunos ejemplos son BioHybrid Technologies, cuyo fundador, Bill Chick, fue a la Escuela de Medicina de Harvard y se centró en la creación de páncreas artificiales. Otro ejemplo sería Organogenesis Inc., cuyo fundador fue al MIT y trabajó en productos de ingeniería de la piel. Otras empresas con vínculos con el MIT son TEI Biosciences, Therics y Guilford Pharmaceuticals. [8] El renovado interés en las biotecnologías en la década de 1980 lleva a muchos inversores privados a invertir en estas nuevas tecnologías, aunque los modelos de negocio de estas primeras empresas emergentes a menudo no eran muy claros y no presentaban un camino hacia la rentabilidad a largo plazo. [116] Los patrocinadores gubernamentales fueron más moderados en su financiación, ya que la ingeniería de tejidos se consideraba una inversión de alto riesgo. [8]
En el Reino Unido, el mercado tuvo un arranque más lento, a pesar de que las regulaciones sobre la investigación con células madre no eran tan estrictas. Esto se debe principalmente a que más inversores estaban menos dispuestos a invertir en estas nuevas tecnologías que se consideraban inversiones de alto riesgo. [116] Otro problema al que se enfrentaron las empresas británicas fue conseguir que el NHS pagara por sus productos. Esto se debe especialmente a que el NHS realiza un análisis de costo-efectividad de todos los productos que respalda. Las tecnologías novedosas a menudo no obtienen buenos resultados en este sentido. [116]
En Japón, la situación regulatoria era muy diferente. En primer lugar, el cultivo de células sólo se permitía en el ámbito hospitalario y, en segundo lugar, a los científicos académicos empleados por universidades estatales no se les permitió trabajar fuera de sus puestos hasta 1998. Además, las autoridades japonesas tardaban más en aprobar nuevos medicamentos y tratamientos que sus homólogas estadounidenses y europeas. [116]
Por estas razones, en los primeros días del mercado japonés, la atención se centró principalmente en obtener productos que ya estaban aprobados en otras partes de Japón y venderlos. A diferencia del mercado estadounidense, los primeros actores en Japón fueron principalmente grandes empresas o subempresas de esas grandes empresas, como J-TEC, Menicon y Terumo, y no pequeñas empresas emergentes. [116] Después de los cambios regulatorios en 2014, que permitieron el cultivo de células fuera de un entorno hospitalario, la velocidad de la investigación en Japón aumentó y las empresas japonesas también comenzaron a desarrollar sus propios productos. [116]
Poco después del gran boom, empezaron a aparecer los primeros problemas. Había problemas para conseguir que la FDA aprobara los productos y, si lo conseguían, a menudo había dificultades para conseguir que las aseguradoras pagaran por los productos y que los proveedores de atención sanitaria los aceptaran. [116] [117]
Por ejemplo, la organogénesis tuvo problemas para comercializar su producto e integrarlo en el sistema de salud, en parte debido a las dificultades para manipular células vivas y a las mayores dificultades que enfrentan los médicos para utilizar estos productos en lugar de los métodos convencionales. [116]
Otro ejemplo sería el producto para la piel Dermagraft de Advanced Tissue Sciences, que no pudo generar una demanda lo suficientemente alta sin los reembolsos de las compañías de seguros. Las razones para esto fueron el precio de 4000 dólares y la circunstancia de que, además, Advanced Tissue Sciences tuvo dificultades para que los médicos conocieran su producto. [116]
Los ejemplos anteriores demuestran cómo las empresas luchaban por obtener ganancias. Esto, a su vez, llevó a los inversores a perder la paciencia y a dejar de financiar más. En consecuencia, varias empresas de ingeniería de tejidos, como Organogenesis y Advanced Tissue Sciences, se declararon en quiebra a principios de la década de 2000. En ese momento, estas eran las únicas que tenían productos comerciales para la piel en el mercado. [117]
Las tecnologías de las empresas en quiebra o en dificultades a menudo fueron compradas por otras empresas que continuaron el desarrollo bajo modelos comerciales más conservadores. [117] Ejemplos de empresas que vendieron sus productos después de la quiebra fueron Curis [117] e Intercytex. [116]
Muchas de las empresas abandonaron sus objetivos a largo plazo de desarrollar órganos completamente funcionales en favor de productos y tecnologías que podrían generar ganancias en el corto plazo. [116] Ejemplos de este tipo de productos son los productos de la industria cosmética y de pruebas.
En otros casos, como en el de Advanced Tissue Sciences, los fundadores iniciaron nuevas empresas. [116]
En la década de 2010, el marco regulatorio también comenzó a facilitar tiempos más rápidos de comercialización, especialmente en los EE. UU., a medida que la FDA creó nuevos centros y vías específicamente dirigidas a productos provenientes de células vivas, como el Centro de Evaluación e Investigación Biológica . [116]
Los primeros productos de ingeniería de tejidos comenzaron a ser comercialmente rentables en la década de 2010. [117]
En Europa, la regulación se divide actualmente en tres áreas de regulación: dispositivos médicos , productos medicinales y productos biológicos . Los productos de ingeniería de tejidos suelen ser de naturaleza híbrida, ya que suelen estar compuestos de células y una estructura de soporte. Si bien algunos productos pueden aprobarse como medicamentos, otros necesitan obtener la aprobación como dispositivos médicos. [118] Derksen explica en su tesis que los investigadores de ingeniería de tejidos a veces se enfrentan a una regulación que no se ajusta a las características de la ingeniería de tejidos. [119]
En Europa se han observado nuevos regímenes regulatorios que abordan estas cuestiones. [120] Una explicación de las dificultades para encontrar un consenso regulatorio en esta materia la da una encuesta realizada en el Reino Unido. [118] Los autores atribuyen estos problemas a la estrecha relación y superposición con otras tecnologías como el xenotrasplante . Por lo tanto, no puede ser manejado por separado por los organismos reguladores. [118] La regulación se complica aún más por las controversias éticas asociadas con este y otros campos de investigación relacionados (por ejemplo, la controversia de las células madre , la ética del trasplante de órganos ). La misma encuesta mencionada anteriormente [118] muestra en el ejemplo del trasplante de cartílago autólogo que una tecnología específica puede ser considerada como "pura" o "contaminada" por el mismo actor social.
Dos movimientos regulatorios son los más relevantes para la ingeniería de tejidos en la Unión Europea . Se trata de la Directiva 2004/23/EC sobre estándares de calidad y seguridad para la obtención y procesamiento de tejidos humanos [121] que fue adoptada por el Parlamento Europeo en 2004 y una propuesta de reglamento sobre productos de ingeniería de tejidos humanos. Este último fue desarrollado bajo los auspicios de la Dirección General de Empresa de la Comisión Europea y presentado en Bruselas en 2004. [122]
