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El novedoso enfoque de la regeneración de tejidos
Uno de los momentos más críticos en el campo de la ingeniería de tejidos se produjo en la ciudad de Boston en 1954 en un proyecto dirigido por el doctor Joseph Murray. Bajo su control, un equipo de médicos llevó a cabo con éxito el primer trasplante de un órgano sólido. En este caso, se trasplantó un riñón de un gemelo idéntico a su hermano gravemente enfermo. Este acontecimiento estimuló un amplio movimiento de investigación en el que científicos y laboratorios comenzaron a trabajar intensamente en los campos de la biología de los trasplantes, la inmunología y otras disciplinas relacionadas. Junto con este esfuerzo de investigación se produjeron avances significativos en el desarrollo de técnicas quirúrgicas y en los intentos de mejorar la supresión inmunitaria del huésped. Sin embargo, incluso décadas después, siguen existiendo muchos retos entre los trasplantes de tejidos y el éxito clínico. Algunos de estos retos son los gastos asociados al procedimiento de trasplante en sí, los cuidados intensivos necesarios y la elevada posibilidad de rechazo del huésped. Todavía hoy, el principal problema reside en la cuestión fundamental de la escasez de órganos y donantes (1).
La mayoría de los laboratorios de investigación hasta la década de 1980 centraban su atención en las formas de combatir el «problema inmunológico» para mejorar la tecnología de trasplante de órganos y se realizaban desarrollos utilizando xenoinjertos y dispositivos de soporte biohíbridos. No fue hasta mediados de los años 80, cuando el Dr. Joseph Vacanti, del Hospital Infantil de Boston, se asoció con el Dr. Robert Langer, del departamento de ciencias de los polímeros del MIT, cuando la idea de diseñar tejidos funcionales para su uso en trasplantes se convirtió en una posible solución para combatir el problema de la escasez de órganos. Juntos, su trabajo llegaría a redefinir el campo de la ingeniería de tejidos (1).
La «visión»
El concepto
Vacanti y Langer imaginaron el desarrollo de un sistema capaz de generar reemplazos de tejidos permanentes nuevos y naturales mediante el uso de matrices sintéticas biodegradables 3D sembradas con células parenquimatosas. Desde el punto de vista conceptual, esta idea contenía muchas de las respuestas a los problemas actuales asociados a la sustitución de tejidos. Idealmente, el andamio polimérico podría diseñarse para promover la proliferación y diferenciación celular, permitir el crecimiento vascular, degradarse de forma controlable y reabsorberse por completo in vivo dejando sólo el tejido recién formado. Si tiene éxito, el desarrollo y la implementación de este dispositivo podría proporcionar varias ventajas sobre los métodos tradicionales, ya que el andamio podría ser potencialmente manipulado para permitir un mayor control sobre la liberación de hormonas y factores de crecimiento esenciales para la funcionalidad de las células, la fijación a las células a la matriz antes de la introducción en el cuerpo podría aumentar el número de células capaces de ser implantadas, el molde podría ser estructurado en varias formas, y este método podría permitir trasplantes autólogos o alogénicos (1).
Datos preliminares y pruebas de apoyo
En la consecución de sus esfuerzos de investigación, los hermanos Vacanti y Langer se basaron en varias observaciones fundamentales que se recogieron en los estudios preliminares. En primer lugar, todos los organismos experimentan continuamente los procesos de renovación, remodelación y sustitución de sus células. En segundo lugar, las células disociadas de su entorno natural son capaces de reformar sus estructuras cuando el entorno que las rodea les da la señal adecuada para hacerlo. En tercer lugar, las células del parénquima del órgano dependen del anclaje con la matriz celular y desempeñan funciones esenciales en la forma, la división y la diferenciación de las células. Además, estudios anteriores habían demostrado que 2-3mm3 es el mayor volumen de tejido que puede implantarse y que permite una nutrición adecuada, el intercambio de gases, etc. hasta que se produzca la angiogénesis. Teniendo en cuenta estas observaciones biológicas, los hermanos Vacanti y Langer se propusieron diseñar un novedoso andamio polimérico en 3D que pudiera cargarse con células de órganos paranquimatosos en cultivo y luego implantarse en un huésped (1).
La matriz ideal
Una de las consideraciones fundamentales en el diseño de este andamio polimérico para la ingeniería de tejidos de reemplazo es en lo que respecta a la selección de un material de matriz apropiado. Este material de andamiaje ideal debería tener varias características esenciales y capacidades de ajuste para una funcionalidad adecuada en esta aplicación, ya que debe ser biocompatible, mecánicamente estable, flexible, controlablemente degradable, reabsorbible y capaz de realizar interacciones químicas específicas con las células sembradas. En cuanto a la biocompatibilidad, es esencial que el polímero no provoque una respuesta inmunitaria no deseada en el huésped, lo que en última instancia podría provocar el rechazo inmunitario y el fracaso del procedimiento. Desde el punto de vista físico, la matriz debe tener cierto grado de estabilidad mecánica y flexibilidad para garantizar que pueda proporcionar el soporte y el espacio necesarios para la formación de tejido, de modo que pueda diseñarse y construirse fácilmente con formas y estructuras variables, y debe ser capaz de soportar el procedimiento y el entorno in vivo para mantener esta estructura tras la implantación. Por último, algunas capacidades de ajuste deseables del andamio polimérico ideal implicarían características de degradación sintonizables, la matriz debería ser capaz de reabsorberse en el cuerpo dejando sólo tejido natural y funcional, y la manipulación de la química de la superficie para dictar las interacciones deseadas entre las células sembradas y la superficie de la matriz (1).
Los hermanos Vacanti y Langer determinaron que los polímeros del grupo de los poliésteres y las familias de los ácidos polilácticos, los ácidos poliglicólicos y sus copolímeros eran el mejor candidato para su material de andamiaje. Estos polímeros no sólo eran biocompatibles, estables y flexibles, sino que también podían degradarse por hidrólisis a productos de dióxido de carbono y agua, y la tasa de reabsorción del polímero podía diseñarse para variar en una escala de tiempo de meses a años, dependiendo de la proporción de monómeros del polímero utilizado (1).
Pasos a la realidad
Los años que siguieron al emparejamiento Vacanti-Langer en 1985 se caracterizaron por la rapidez de los experimentos y desarrollos en el campo de la ingeniería de tejidos para dilucidar la viabilidad del dispositivo de andamiaje previsto para la regeneración de tejidos.
Uno de los experimentos iniciales realizados utilizó un pequeño disco de polianhídrido en el que se sembraron hepatocitos en una monocapa sobre la oblea y se implantó en el animal (véase la figura 3). Los análisis revelaron que el número y la densidad de las células no eran suficientes para el éxito del injerto (1). Sin embargo, este experimento permitió descubrir una limitación fundamental. Todas las células necesitan un intercambio adecuado de oxígeno y nutrición con el entorno y la eliminación de productos de desecho. Dado que la transferencia de masa sólo se produce en la superficie extracelular, es relativamente fácil conseguirlo para una sola capa de células. A medida que aumenta la masa celular, aumenta la superficie de intercambio, así como la masa de células que requieren este intercambio. Por lo tanto, en el desarrollo de las formas de los andamios, hay que tener en cuenta estas consideraciones para permitir una adquisición nutricional y una supervivencia adecuadas (2). Como Joseph Vacanti describió tan elocuentemente este problema, «…sería como intentar cultivar una planta de interior dentro de una pelota de baloncesto (3)». En busca de una respuesta a esta cuestión fundamental, Vacanti afirma que la idea se le ocurrió cuando observaba las algas marinas en la costa de Cape Cod durante unas vacaciones familiares. Bajo la piel de las algas se encuentra una red ramificada de ramas huecas que cumplen los requisitos de volumen de superficie y proporcionan oxígeno fresco al organismo mientras desechan los subproductos de desecho. Este diseño de algas de una red ramificada inspiró el uso de polímeros mucho más aireados, «como bolas de algodón», en futuros experimentos (2).
Varios años después, en 1991, se produjo otro gran avance experimental bajo la dirección del Dr. Charles Vacanti en la Facultad de Medicina de la Universidad de Massachusetts (1). El grupo logró desarrollar con éxito placas homogéneas de cartílago de hasta 100 mg cada una, utilizando plantillas sintéticas biodegradables cargadas de condrocitos. Estos andamios se implantaron bajo la piel de ratones atímicos y se analizaron. El cartílago recién formado mantuvo la forma y las dimensiones relativas de las plantillas originales tras la reabsorción del polímero. Además, se observaron lagunas en las muestras recogidas a los 81 días y no en las recogidas a los 49 días o antes. Estos resultados sugieren que el tejido maduró de metal a cartílago adulto. En apoyo de esta conclusión, el colágeno de tipo III, característico del cartílago hialino inmaduro de los mamíferos, se observó en las muestras más jóvenes, mientras que el colágeno de tipo II, característico del cartílago maduro de los mamíferos, se observó en las muestras implantadas durante más de 49 días (1).El siguiente paso práctico en el camino hacia el desarrollo del andamio previsto implicaba la ingeniería del cartílago en formas específicas predeterminadas. Esto fue realizado por Puelacher et al. en 1993, cuando desarrollaron modelos de cartílago nasal humano utilizando una malla de PGA no tejida que se unió con una solución de ácido poliláctico al 5%. Estas formas poliméricas se sembraron con una suspensión de condrocitos obtenidos de cartílago hialino bovino recién nacido. A continuación se implantaron estos contructos en ratones atímicos durante 8 semanas. Los análisis revelaron que el tamaño y la forma de los implantes se mantenían tras la reabsorción del polímero, dejando un tejido relativamente resistente que era capaz de restablecer su confirmación original tras la flexión (1).
El experimento del ratón clásico
El objetivo
La reconstrucción total de la oreja es un tema muy desafiante para los cirujanos plásticos debido a la compleja estructura de la oreja y a que el tejido tiene una capacidad limitada de regeneración (2). Sin embargo, sería muy beneficioso desde el punto de vista clínico disponer de un método de regeneración mejorado, ya que los niños nacen a diario con orejas poco desarrolladas y otros pierden estos órganos en experiencias traumáticas (1). Actualmente existen dos grandes alternativas para la reconstrucción total de la oreja externa: los implantes aloplásticos y los injertos de cartílago autógeno. Los implantes aloplásticos suelen estar hechos de silicona o polipropileno en formas prefabricadas. Una de las ventajas de este método es que los materiales están disponibles en un suministro relativamente ilimitado y no se necesita mano de obra ni tiempo adicional para dar forma al dispositivo, ya que vienen preformados. Sin embargo, estos materiales son muy susceptibles a las infecciones y no presentan una durabilidad consistente a largo plazo. Por otro lado, el uso de tejidos autógenos tiene una mayor durabilidad a largo plazo, pero hay una contrapartida, ya que se necesita mucho tiempo para dar forma al andamio y a menudo no hay un suministro suficiente de cartílago utilizable (4).
En la década de 1990, Vacanti y Langer consiguieron hacer crecer una oreja en el lomo de un ratón atímico al que apodaron Auriculosaurus (3) (ver Figura_).
La ciencia que hay detrás
Construcción del dispositivo
Para construir la forma y las dimensiones reales del dispositivo de andamiaje, se moldeó la oreja de un niño de 3 años utilizando alginato como material de impresión. A continuación, se creó un molde de yeso a partir de la impresión de alginato y se utilizó como molde para el diseño de las construcciones de polímero sintético biodegradable. El polímero utilizado estaba compuesto por fibras de ácido poliglicólico en una malla no tejida de aproximadamente 100um de grosor con un diámetro de aproximadamente 15um. Las fibras de la malla se unieron al sumergirse en una solución de ácido poliláctico al 1% durante 2 segundos. Después de este proceso, el polímero se moldeó en la forma de la oreja utilizando el molde de yeso y los dispositivos se colocaron en placas de cultivo de tejidos de poliestireno de 35 mm (4).
Aislamiento de condrocitos
Según Cao et al., los condrocitos se obtuvieron de miembros anteriores de terneros «recién sacrificados» al recibirlos del matadero local. Las células se extrajeron de las superficies articulares de las articulaciones y se sometieron a la digestión con colagenasa, centrifugación, filtración y diversas condiciones de amortiguación para preparar el proceso de siembra (4).
Carga del polímero e implantación en ratones atímicos
Para sembrar los polímeros con las células bovinas disociadas, se colocaron alícuotas de 3mL de la suspensión de condrocitos consistentes en 1,5×10^8 células sobre los polímeros y se dejaron incubar durante 4 horas a 37 grados Celsius para promover la adhesión a las fibras (ver Figura_). El medio de cultivo se enriqueció con suero fetal al 10%, 5 ug/mL de ácido ascórbico, 292 ug/mL de L-glutamina, 100 U/mL de penicilina y 100 ug/mL de estreptomicina. Las matrices se incubaron a 37 grados centígrados en un 5% de CO2 durante 1 semana y el medio de cultivo se sustituyó cada 48 horas (papel). Las imágenes del microscopio electrónico de barrido muestran la adhesión de los condrocitos a la matriz antes de la incubación y también muestran la presencia de componentes extracelulares de la matriz que son secretados por las células, lo que confirma su respectiva capacidad de realizar funciones diferenciadas.Tras la incubación, los dispositivos se implantaron por vía subcutánea en ratones machos atímicos de 4 a 6 semanas de edad mediante procedimientos quirúrgicos estériles y anestesia general (4).
Resultados
Aunque el montaje experimental de este procedimiento era conceptualmente simplista, los resultados arrojaron una valiosa perspectiva sobre la idea de la ingeniería de tejidos para la regeneración por medio de andamios 3D. Tras 6 semanas de incubación in vivo, el grupo de control no mostró ningún rastro de formación de cartílago. Al retirar el stent, la piel de los ratones conservó su aspecto original y el polímero se reabsorbió como se esperaba. Sin embargo, los resultados más significativos fueron los relativos a las diferencias observadas en los grupos experimentales I y II. Tras 3-4 semanas de incubación in vivo, las diferencias en la forma de la oreja se hicieron evidentes. Los especímenes del grupo experimental I presentaban una morfología casi idéntica a la del implante que estaba bien establecida después de 4 semanas y que se mantuvo durante las 8 semanas adicionales siguientes a la retirada del stent (véase la figura _). Por el contrario, los ratones del grupo experimental II desarrollaron una oreja que sólo coincidía aproximadamente con la del andamio polimérico, ya que se redujo su tamaño y se distorsionó su forma, como se aprecia en la Figura _ (4).
La respuesta social
Aunque para la comunidad científica y los pioneros de la ingeniería de tejidos, este avance fue monumental y emocionante, abriendo numerosas vías de investigación y planteando valiosas cuestiones científicas, tuvo una respuesta igualmente fuerte en la comunidad científica. Tras la publicación del artículo de Vacanti en agosto de 1997, se produjo una fuerte indignación por parte de los grupos antigenéticos y los activistas de los derechos de los animales. Esta respuesta social desfavorable fue facilitada por una película realizada por el programa Tomorrow’s World de la BBC, así como, por un anuncio que se publicó en el New York Times por el grupo llamado Turning Point Project (ver Figura 6).
El anuncio mostraba la imagen del ratón de Vacanti con una leyenda engañosa que decía: «Esta es una foto real de un ratón modificado genéticamente con una oreja humana en su espalda». Esta afirmación implicaba que los científicos habían alterado el genoma del ratón insertando segmentos de ADN humano. La fuerte respuesta que suscitaron los grupos sociales aún persiste en la actualidad y a continuación se enumeran algunos de los pies de foto clásicos del artículo para ayudar a fomentar una mejor comprensión de cómo la comunidad social estaba percibiendo estos avances científicos (5):
«¿Alguien cree que es chocante, por tanto, que esta industria biotecnológica infantil considere que está bien capturar el proceso evolutivo y remodelar la vida en la tierra para adaptarla a sus balances?»
Hasta ahora no existen «quimeras» medio humanas, medio animales (como las sirenas o los centauros), pero es posible que pronto las tengamos»
«Las empresas de biotecnología están extrayendo alegremente componentes de los seres humanos (y de otras criaturas) y tratándonos a todos como piezas de automóvil en un mercadillo.»
«Algún día, cuando una de estas empresas decida por fin que el estado de ánimo del público es receptivo, ¿harán un combo humano-gorila para encargarse del trabajo pesado?»
«¿Hemos perdido la cordura»? (5)
(1) Atala, Anthony, y David J. Mooney. Synthetic Biodegradable Polymer Scaffolds. Boston: Birkhäuser, 1997. Imprimir.
(2) Vacanti, Joseph. «Ingeniería de tejidos y medicina regenerativa». Lecture. The Jayne Lecture. Amphilsoc. Web.
(3)D’Agnese, Joseph. «Hermanos con corazón». Discover julio 2001. Discover Magazine. 1 de julio de 2001. Web.
(4)Cao, Yilin, Joseph P. Vacanti, Keith T. Paige, Joseph Upton y Charles A. Vacanti. «Transplante de condrocitos utilizando un constructo de células de polímero para producir cartílago de ingeniería tisular con forma de oreja humana». Plastic and Reconstructive Surgery 100.2 (1997): 297-302. Imprimir.
(5)Rouse, Roger. «¿Quién juega a ser Dios en el siglo XXI?». New York Times 25 de mayo de 2001, 9ª ed., sec. 62. Print.