Ingeniería de tejidos, también conocida como medicina regenerativa o terapia celular (según el autor este último término también puede ser considerado como un campo de la medicina regenerativa y no serían términos sinónimos), es la rama de la bioingeniería que se sirve de la combinación de células, métodos de ingeniería de materiales, bioquímica y fisicoquímica para mejorar o reemplazar funciones biológicas. Mientras la mayoría de definiciones de la ingeniería de tejidos cubre un amplio rango de aplicaciones, en la práctica el término esta íntimamente relacionado con las aplicaciones de reparar o reemplazar parcial o totalmente tejidos (por ejemplo hueso, cartílago, válvula cardiaca, vejiga, etc.). A menudo, los tejidos implicados requieren ciertas propiedades mecánicas y estructuras para su propia función.
En el fondo incluye también las transfusiones, trasplantes, terapias génicas...
| Ingeniería de tejidos | ||
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| Ingeniería Tisular Ingeniería de tejidos y órganos Medicina regenerativa | ||
| Áreas del saber | Biomedicina | |
| Campo de aplicación | Tecnología Medicina | |
| Subárea de | Ingeniería biomédica Ingeniería mecánica | |
Esta ingeniería es una especialidad que aplica los principios de la ingeniería y las ciencias de la vida a la fabricación de sustitutos biológicos que mantengan, mejoren o restauren la función de órganos y tejidos en el cuerpo humano. De naturaleza eminentemente interdisciplinaria, la ingeniería de tejidos incluye conceptos de ramas tan diversas como la biología celular, la microfabricación, la robótica y la ciencia de los materiales para diseñar partes de reemplazo del cuerpo humano.
El término ha sido también aplicado a los esfuerzos de diseño de funciones bioquímicas usando células junto con sistemas de soporte creados artificialmente (como por ejemplo un páncreas artificial o hígado artificial).
Áreas del conocimiento
La ingeniería de tejidos usa fundamentalmente células cultivadas y/o modificadas genéticamente en el laboratorio como material de ingeniería.
Así mismo usa estructuras 3D que pueden imitar la estructura de un órgano. Estos sirven para reemplazar parte de un órgano dañado que ha dejado de desarrollar su función o como vehículo para transportar células y moléculas en su interior hasta el tejido u órgano diana, en este sentido los Nanotubos son firmes candidatos para convertirse en "andamios" para órganos ya que son biocompatibles, resistentes a la biodegradación y pueden ser funcionales con biomoléculas.
El objetivo principal en este sentido sería obtener un biopolímero
- biocompatible
- no presente ningún tipo de reacción biológica adversa
- reabsorbible
- que se degrade de forma paulatina a medida que se forma el nuevo tejido, transfiriendo así las cargas de forma progresiva.
- productos de degradación fácilmente eliminables y no-tóxicos.
Campos de acción
En la mayoría de casos, la creación de tejidos y estructuras biológicas in vitro requiere un considerable conocimiento de la célula para garantizar su supervivencia, crecimiento e incentivar su funcionalidad. En general, los requerimientos básicos de las células deben ser mantenidos durante su cultivo incluyen oxígeno, pH, humedad, temperatura, nutrientes y el mantenimiento de la Presión osmótica. El proceso de cultivo celular presenta problemas adicionales en el mantenimiento de las condiciones óptimas.
Otro campo de la ingeniería de tejidos es la introducción a los propios factores o la estimulación requerida para inducir las funciones vitales. En muchos casos, el mantenimiento del cultivo celular no es suficiente. Factores de crecimiento, hormonas, metabolitos específicos o nutrientes, estímulos químicos y físicos son en ocasiones necesarios. Por ejemplo, ciertas células responden a cambios en el oxígeno como parte de su desarrollo normal, como pueda ser los Condrocitos, el cual debe adaptarse a condiciones de baja concentración de O2 o hipoxia durante los desarrollos esqueléticos. Otros, como las células Endoteliales, responde a una tensión cortante desde el fluido que fluye, el cual se encuentra en los vasos sanguíneos.
Biorreactores
En muchos casos, biorreactores son empleados para mantener unas condiciones de cultivo celular específicas. Los dispositivos son muy diversos, con múltiples diseños ad hoc para aplicaciones específicas. El uso de biorreactores permite el control preciso y continuo de las condiciones de cultivo celular y permiten también introducir diferentes estímulos al cultivo de tejidos.
Algunos ejemplos de tecnologías de la ingeniería de tejidos
- Hígado Bioartificial - muchos de los esfuerzos de investigación han producido ayuda hepática usando hepatocitos vivos.
- Páncreas artificial - las investigaciones engloban el uso de islotes de Langerhans para producir y regular insulina, particularmente en casos de diabetes.
- Vejigas artificiales - En la Wake Forest University se ha conseguido implantar con éxito vejigas desarrolladas artificialmente en siete de 20 humanos, dentro de un experimento a muy largo plazo.1
- Cartílago - tejido cultivado en laboratorio ha sido usado con éxito para reparar cartílago de rodilla.2
Historia
Durante los últimos 50 años, el desarrollo de la biología celular y molecular, con sus grandes logros técnicos y científicos, ha hecho posible el poder restaurar o mejorar la función de órganos y tejidos lesionados por enfermedades o traumatismos. La cirugía de trasplantes a partir de órganos y tejidos extraídos de donantes es parte de esta medicina reparadora.
En 1975 El equipo del Dr. Rheinwald a partir de los trabajos con una línea celular epitelial cutánea o queratinocitos originada de un teratoma de ratón, establecieron las condiciones necesarias y fundamentales para cultivar, de forma indefinida, este tipo de células. El desarrollo in vivo de las células epiteliales, así como su diferenciación y multiplicación, dependen de complejas interacciones con la matriz extracelular, así como de diferentes estímulos procedentes de los fibroblastos y sus productos. Su primera aplicación clínica se produce en 1980, el equipo del Dr Banks-Schelegel demuestra la viabilidad del epitelio cutáneo obtenido in vitro empleándolo como injerto en animales de experimentación, lo cual llevó al perfeccionamiento de estas técnicas haciendo posible la utilización de estos tejidos, obtenidos en el laboratorio, en la práctica clínica.3
Estado actual de la medicina regenerativa
Tras el boom inicial de las células madre, este campo continúa todavía a día de hoy en sus inicios. Sin embargo ha de ser destacado que se continúan realizando múltiples investigaciones de forma exhaustiva y pausada, lo que hace avanzar a la medicina regenerativa de forma lenta pero segura.
Los agentes reguladores están actuando de forma serena. De hecho la agencia médica europea (EMEA) ha aprobado ya un producto belga de este campo denominado ChondroCelect. La industria privada creó un gran consorcio de cooperación en 2008, y se están creando también grandes fondos de inversión públicos.
Actualmente existen guías que indica la forma de preceder para el uso clínico de células madre.
La medicina regenerativa es, por tanto, un campo en continua expansión que se espera sea de uso generalizado en la clínica para el 2020. Lo que se traducirá en grandes avances médicos para las personas accidentadas, enfermos, personas mayores, lesiones deportivas y heridos de guerra.
Ingeniería de tejidos
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Introducción
La ingeniería de tejidos constituye una disciplina relativamente nueva y un campo de investigación y desarrollo interdisciplinario que aplica los conocimientos de la bioingeniería, ciencias de la vida, química física y biología, para resolver problemas clínicos y quirúrgicos asociados a la pérdida de tejidos o al fallo funcional de órganos.
Los polímeros sintéticos bioabsorbibles con capacidad de degradarse gracias a reacciones de hidrólisis en condiciones fisiológicas dentro del cuerpo, y eliminarse completamente por vías metabólicas son los materiales más atractivos para la elaboración de andamios en Ingeniería de Tejidos. Los andamios elaborados a partir de este tipo de polímeros ofrecen la posibilidad de crear tejidos completamente naturales dejando de lado los problemas de infección y formación de tejido fibroso, asociados a los implantes permanentes.
Características
Lo ideal sería obtener un biopolímero:
De la hístoria a la actualidad: materiales utilizados
Durante los años 60 y 70, tuvo lugar la primera generación de biomateriales. En este período de tiempo, la meta era obtener materiales cuyas propiedades físicas se adaptaran lo mejor posible a las del tejido a reemplazar, y que reaccionaran mínimamente con el tejido circundante, es decir, materiales inertes. A partir de los años 80, surge una segunda generación de biomateriales. Esta vez, el objetivo era crear materiales que indujeran una reacción controlada por parte del tejido vivo, es decir, materiales bioactivos como los vidrios bioactivos de silicio y la hidroxiapatita. Durante esta segunda generación, también tienen lugar los materiales bioabsorbibles, como los polímeros biodegradables principalmente .
La ingenería de tejidos se basa en la utilización de biomateriales con las características mencionadas para los materiales de tercera generación, es decir, bioactivos y bioabsorbibles, y capaces de estimular la respuesta celular y molecular de forma controlada, para que actuen como soportes temporales en la reparación de defectos óseos. Dentro de esta área existen dos tendencias principalmente, la primera consiste en el desarrollo de andamios tridimensionales acelulares, que servirán para alojar las diferentes células una vez implantados in vivo. La segunda tendencia consiste en el desarrollo de andamios tridimensionales, que inicialmente son colonizados por las células progenitoras bajo condiciones in vitro, y luego son implantados en el paciente para reemplazar el tejido dañado.
Figura 1.Esquema ilustrativo de una de las tendencias en ingeniería de tejidos
Por ejemplo en el caso del tejido óseo, los materiales más utilizados en la actualidad para el desarrollo de las estructuras tridimensionales, son las hidroxiapatita, los poly (-hidroxi ácidos), y algunos polímeros de origen natural como el colágeno o la quitina. En muchos casos las superficies de los materiales son modificadas con diferentes proteínas y factores de crecimiento que estimulan la respuesta celular, y activan los genes responsables de la diferenciación y mineralización del tejido .
A pesar de que actualmente existen diferentes polímeros biodegradables para el desarrollo de estos andamios (ver figura 2), el PLA, el PGA y sus copolímeros, continúan siendo los más populares y de mayor uso.
Figura 2. Polímeros sintéticos biodegradables, utilizados en ingeniería de tejidos
Obtención de estructuras polímericas porosas
Las estructuras poliméricas porosas pueden ser obtenidas a través de numerosos métodos. Cada técnica de elaboración le confiere al andamio final características estructurales diferentes, por lo que es muy importante elegir la técnica correcta según la aplicación final del andamio. Algunas de las técnicas utilizadas hoy en día para la fabricación de andamios porosos se encuentran resumidas en la figura 3, a continuación se describen las más utilizadas.
Figura 3.Técnicas de elaboración de andamios poliméricos para ingeniería de tejidos
1) Gel Casting
Este método consiste en disolver el polímero en un solvente orgánico como la acetona. La solución polimérica es colocada en un molde hasta alcanzar consistencia de gel. Seguidamente el gel es procesado mediante diferentes concentraciones de acetona, etanol y agua para así obtener una estructura microporosa.
2) Disolución y colada con liberación de partículas
En este método, se incorpora a la solución polimérica una proporción determinada de partículas minerales (cloruro de sodio) (16) u orgánicas (sacarosa). La mezcla es luego colada en un molde donde el solvente se evapora o puede ser procesada por “freeze-drying”. Una vez evaporado el solvente, las partículas son disueltas en agua dejando a su paso los diferentes poros. Con esta técnica se pueden conseguir porcentajes de porosidad bastante elevados. El tamaño de los poros dependerá de las partículas utilizadas.
3) Laminación de membranas
Es similar a la técnica conocida como “laminated object manufacturing (LOM)” usada en el rapid prototyping. Consiste en la utilización de diferentes films porosos generalmente obtenidos a partir de la técnica de disolución y colada con liberación de partículas, y colocados uno sobre otro unidos con la ayuda de la impregnación con cloroformo en la superficie, para obtener estructuras tridimensionales de forma compleja.
4) Separación de fases
El polímero se disuelve en un solvente como el dioxano a una temperatura baja. La separación líquido-líquido y luego sólido-líquido es inducida al bajar la temperatura de la solución. Subsecuentemente se elimina el solvente solidificado por medio de la sublimación del mismo dejando así el andamio polimérico. La concentración del polímero y la estrategia de enfriamiento juegan un papel fundamental en la morfología final de los poros (8).
5) Saturación con gas
Para esto se utilizan especimenes poliméricos sólidos previamente prensados, los cuales son expuestos a altas presiones (800 psi) de CO2 permitiendo así la saturación del polímero con el gas. Se crea una inestabilidad termodinámica al reducir la presión del gas a niveles ambientales Esto conlleva la nucleación y expansión del CO2 disuelto, generando así macroporos. La mayor ventaja de este proceso es que no utiliza solventes orgánicos. La mayor desventaja es que el producto final es poco poroso en la superficie y además permanece un cierto porcentaje de porosidad cerrada en el interior del material. Para solucionar estos problemas se está utilizando esta técnica en combinación con partículas solubles en agua.
6) Liofilización
Esta técnica es similar a la separación de fases, consiste en liofilizar soluciones congeladas del polímero con ácido acético glacial o benceno. La morfología de las esponjas depende notablemente del polímero y del solvente. Por ejemplo el benceno induce una estructura de tipo capilar, mientras que el ácido acético produce una estructura de tipo librillo.
7) Unión de fibras
Consiste en la elaboración de redes interconectadas mediante la unión de fibras (13;14). Para esto se utilizan dos polímeros diferentes como el PLA y el PGA.
Las fibras del PGA son alineadas con la forma final de la estructura deseada, y son embebidas en una solución de PLA/cloruro de metileno. Después de la evaporación del solvente, los polímeros son calentados por encima de su temperatura de fusión.
Finalmente el PLA es disuelto en cloruro de metileno, dejando las fibras de PGA unidas de forma tal que forman una estructura porosa. Esto se puede conseguir ya que el PGA es insoluble en el cloruro de metileno. Dada la especificidad del solvente, del par de polímeros y de sus temperaturas de fusión, ésta técnica es de difícil aplicación con otros polímeros.
En general, casi todas esta técnicas pueden ser utilizadas no sólo para elaborar esponjas poliméricas, sino también para generar materiales compuestos porosos. Para esto, se añaden las partículas o fibras de la fase de refuerzo (fosfato de calcio) en la fase inicial de la elaboración de las estructuras.
Existen tres razones principalmente por las que la adición de una fase inorgánica en una matriz polimérica resulta interesante en un substrato para Ingeniería de Tejidos:
En la figura 4 se encuentran tabulados algunos de los compuestos para Ingeniería de Tejidos elaborados hasta este momento. Se puede observar que la mayoría de estos compuestos contienen TCP(fosfato tricalcico), HA(hidroxiapatito) o vidrio de silicio bioactivo como fase de refuerzo o bioactiva; sin embargo, en ninguno se utilizan vidrios de fosfato de calcio.
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