Ingeniería de tejidos

Ingeniería de tejidos es una disciplina de ingeniería biomédica que utiliza una combinación de células, ingeniería, métodos de materiales 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 fines médicos, pero no se limita a aplicaciones que involucran células y andamios de tejido. Si bien alguna vez se clasificó como un subcampo de biomateriales, habiendo crecido en alcance e importancia, puede considerarse como un campo propio.

Si bien 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, hueso, cartílago, vasos sanguíneos, vejiga, piel, músculo, 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 para 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 los involucrados en la medicina regenerativa ponen más énfasis en el uso de células madre o células progenitoras para producir tejidos.

Resumen

Una definición comúnmente aplicada de la ingeniería de tejidos, según lo declarado por Langer y Vacanti, es "un campo interdisciplinario que aplica los principios de la ingeniería y las ciencias de la vida hacia el desarrollo de sustitutos biológicos que restauran, mantienen o mejoran [los tejidos biológicos]. tejido] función o un órgano completo". Además, Langer y Vacanti también afirman que existen tres tipos principales de ingeniería de tejidos: células, sustancias inductoras de tejidos y un enfoque de células + matriz (a menudo denominado andamio). La ingeniería de tejidos también se ha definido como "comprender los principios del crecimiento de tejidos y aplicarlos para producir tejido de reemplazo funcional para uso clínico". 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 del tejido". función".

Los desarrollos en el campo multidisciplinario de la ingeniería de tejidos han producido un conjunto novedoso 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 tejidos biológicos. moléculas activas. Entre los principales desafíos que enfrenta ahora la ingeniería de tejidos se encuentra la necesidad de una funcionalidad más compleja, estabilidad biomecánica y vascularización en tejidos cultivados en laboratorio destinados a trasplantes.

Etimología

El origen histórico del término no está claro, ya que la definición de la palabra 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 de implante largo.

El primer uso moderno del término como se reconoce hoy en día fue en 1985 por el investigador, fisiólogo y bioingeniero Yuan-Cheng Fung del Centro de Investigación de 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.

Historia

Era antigua (anterior al siglo XVII)

Una comprensión rudimentaria del funcionamiento interno de los tejidos humanos puede remontarse más atrás de lo que la mayoría esperaría. Ya en el período Neolítico, las suturas se usaban para cerrar heridas y ayudar en la curación. Posteriormente, 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, los injertos de piel se desarrollaron cortando la piel de la nalga y suturándola a las heridas en la oreja, la nariz o los labios. Los antiguos egipcios a menudo injertaban piel de cadáveres en humanos vivos e incluso intentaban usar 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 los implantes dentales se podían encontrar en los antiguos mayas.

Ilustración (siglo XVII-siglo XIX)

Si bien estas sociedades antiguas habían desarrollado técnicas que estaban muy por delante de su tiempo, todavía carecían de una comprensión mecánica de cómo reaccionaba el cuerpo a estos procedimientos. Este enfoque mecanicista vino junto 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 una avería en la máquina. En el siglo XVII, Robert Hooke descubrió la célula y una carta de Benedict de Spinoza presentó la idea de la homeostasis entre los procesos dinámicos del cuerpo. Los experimentos de Hydra realizados por Abraham Trembley en el siglo XVIII comenzaron a profundizar 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 un cambio hacia los implantes de tornillos y placas en la fijación ósea. Además, a mediados del siglo XIX se planteó por primera vez la hipótesis de que las interacciones entre la célula y el entorno y la proliferación celular eran vitales para la regeneración de tejidos.

Era moderna (siglos XX y XXI)

A medida que pasa el tiempo y avanza la tecnología, existe una necesidad constante de cambio en el enfoque que adoptan los investigadores en sus estudios. La ingeniería de tejidos ha seguido evolucionando a lo largo de los siglos. Al principio, la gente solía mirar y usar 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 de tejido nativo/células madre. 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, integración celular y longevidad. No hay duda de que estas técnicas seguirán evolucionando, ya que hemos seguido viendo evolucionar 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 usándolos en la construcción de lentes de contacto. El trabajo en el campo se desarrolló lentamente durante las próximas dos décadas, pero luego encontró tracción 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 varias aplicaciones en la ingeniería médica, debido a su alta precisión y eficiencia. Con el desarrollo del biólogo James Thompson de las primeras líneas de células madre humanas en 1998, seguido del 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 hizo más convencional que nunca en el campo de la medicina. Hasta ahora, los científicos han podido imprimir miniorganoides y órganos en chips que han brindado conocimientos prácticos sobre las funciones del cuerpo humano. Las compañías farmacéuticas están utilizando estos modelos para probar medicamentos antes de pasar a estudios con animales. Sin embargo, aún no se ha impreso un órgano completamente funcional y estructuralmente similar. Según los informes, un equipo de la Universidad de Utah imprimió orejas y las trasplantó con éxito en niños nacidos con defectos que dejaron sus orejas parcialmente desarrolladas.

Hoy en día, los hidrogeles se consideran la opción preferida de biotintas para la bioimpresión en 3D, ya que imitan a las células. ECM natural al mismo tiempo que contiene fuertes propiedades mecánicas capaces de sostener estructuras tridimensionales. Además, los hidrogeles junto con la bioimpresión 3D permiten a los investigadores producir diferentes andamios que pueden usarse para formar nuevos tejidos u órganos. Los tejidos impresos en 3D aún enfrentan muchos desafíos, como agregar vasculatura. Mientras tanto, la impresión 3D de partes de tejidos definitivamente mejorará nuestra comprensión del cuerpo humano, acelerando así tanto la investigación básica como la clínica.

Ejemplos

Según la definición de Langer y Vacanti, los ejemplos de ingeniería de tejidos se clasifican en una o más de tres categorías: "solo células" "células y andamio," o "factores inductores de tejido."

• Carne in vitro: tejido muscular animal artificial comestible cultivado in vitro.
• Dispositivo hepático bioartificial, "Vítor Temporario", Dispositivo de Asistencia al Hepático Extracorpóreo (ELAD): La línea celular hepatocito humano (línea C3A) en un bioreactor de fibra hueco puede imitar la función hepática del hígado para casos agudos de insuficiencia hepática. Un ELAD totalmente capaz funcionaría temporalmente como hígado de un individuo, evitando así el trasplante y permitiendo la regeneración de su propio hígado.
• Páncreas artificiales: La investigación implica el uso de células islotes para regular el azúcar en sangre del cuerpo, especialmente en casos de diabetes. Los factores bioquímicos pueden utilizarse para hacer que las células madre pluripotentes humanas diferencien (volver en) células que funcionan de manera similar a las células beta, que están en una célula islote encargada de producir insulina.
• Vejiga artificial: Anthony Atala (Wake Forest University) ha implantado con éxito vejigas artificiales, construidas con células cultivadas sembradas sobre un andamio en forma de vejiga, en siete de aproximadamente 20 sujetos de prueba humana como parte de un experimento a largo plazo.
• Cartilaje: cartílago de laboratorio, cultivado in vitro en un andamio, fue utilizado con éxito como un trasplante autológico para reparar las rodillas de los pacientes.
• Cartilaje libre de andamios: Cartilaje generado sin el uso de material exógeno del andamio. En esta metodología, todo el material de la construcción es celular producido directamente por las células.
• Corazón bioartifico: Doris El laboratorio de Taylor construyó un corazón de rata biocompatible re-celularizando un corazón de rata descelularizado. Este andamio y células fueron colocados en un bioreactor, donde maduraba para convertirse en un órgano parcialmente o totalmente transplantable. el trabajo se llamaba "marcador". El laboratorio primero despojó las células de un corazón de rata (un proceso llamado "decelularización") y luego inyectó células madre de rata en el corazón de rata descelularizado.
• Vasos sanguíneos de tejido: Los vasos sanguíneos que han crecido en un laboratorio y se pueden utilizar para reparar los vasos sanguíneos dañados sin provocar una respuesta inmune. Los vasos sanguíneos diseñados por tejidos han sido desarrollados por muchos enfoques diferentes. Se pueden implantar como vasos sanguíneos preseleccionados celulares, como injertos vasculares acelulares hechos con vasos descelularizados o injertos vasculares sintéticos.
• Piel artificial construida a partir de células de piel humanas incrustadas en un hidrogel, como en el caso de construcciones bio-impresión para reparaciones de quemaduras de campo de batalla.
• Ceja de hueso artificial: Cultivo de médula ósea in vitro ser transplantado sirve como un enfoque "sólo células" de la ingeniería de tejidos.
• Tejido de hueso diseñado: Una matriz estructural se puede componer de metales como el titanio, polímeros de tasas de degradación variables, o ciertos tipos de cerámica. A menudo se eligen materiales para reclutar osteoblastos para ayudar a reformar el hueso y devolver la función biológica. Se pueden añadir varios tipos de células directamente a la matriz para acelerar el proceso.
• Pene cultivado en laboratorio: Los andamios descelularizados de penes de conejo fueron recelularizados con músculo liso y células endoteliales. El órgano fue luego trasplantado a conejos vivos y funcionó comparadamente con el órgano nativo, sugiriendo potencial como tratamiento para trauma genital.
• La ingeniería de tejido mucosa oral utiliza células y enfoque de andamio para replicar la estructura tridimensional y la función de la mucosa oral.

Células como bloques de construcción

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. Los ejemplos incluyen fibroblastos utilizados para la reparación o renovación de la piel, condrocitos utilizados para la reparación del cartílago (producto aprobado por MACI-FDA) y hepatocitos utilizados en sistemas de soporte hepático.

Las células se pueden usar 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 componentes básicos basados en células. La manipulación de cualquiera de estos procesos celulares crea vías alternativas para el desarrollo de tejido nuevo (p. ej., reprogramación de células somáticas, vascularización).

Aislamiento

Las técnicas para el aislamiento celular dependen de la fuente celular. La centrifugación y la aféresis son técnicas utilizadas para extraer células de biofluidos (p. ej., sangre). Mientras que los procesos de digestión, que suelen utilizar enzimas para eliminar la matriz extracelular (MEC), son necesarios antes de las técnicas de centrifugación o aféresis para extraer células de tejidos/órganos. La tripsina y la colagenasa son las enzimas más comunes utilizadas para la digestión de tejidos. Mientras que la tripsina depende de la temperatura, la colagenasa es menos sensible a los cambios de temperatura.

Fuentes celulares

Las células primarias son aquellas que se aíslan directamente del tejido del huésped. Estas células proporcionan un modelo ex vivo del comportamiento celular sin cambios genéticos, epigenéticos o de desarrollo; convirtiéndolos en una replicación más cercana de las condiciones in vivo que las células derivadas de otros métodos. Sin embargo, esta restricción también puede dificultar su estudio. Estas son células maduras, a menudo diferenciadas terminalmente, 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.

Células secundarias Una parte de las células de un cultivo primario se traslada a un nuevo depósito/recipiente para seguir cultivándose. Se retira el medio del cultivo primario, se obtienen las células que se desea transferir y luego se cultivan en un recipiente nuevo con medio de crecimiento fresco. 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 que las que se pueden encontrar en el cultivo primario. Las celdas secundarias comparten las limitaciones de las celdas primarias (ver arriba), pero tienen un riesgo adicional de contaminación cuando se transfieren a un nuevo recipiente.

Clasificaciones genéticas de las células

Autólogo: El donante y el receptor de las células son el mismo individuo. Las células se recolectan, cultivan o almacenan y luego se vuelven a introducir en el huésped. Como resultado de la reintroducción de las propias células del huésped, no se provoca una respuesta antigénica. El sistema inmunitario del cuerpo reconoce estas células reimplantadas como propias y no las ataca como objetivo. La dependencia de las células autólogas en la salud de la célula huésped y la morbilidad del sitio donante pueden ser un impedimento para su uso. Las células madre mesenquimales derivadas del tejido adiposo y de la médula ósea suelen ser de naturaleza autóloga y se pueden utilizar de innumerables formas, desde ayudar a reparar el tejido esquelético hasta reponer las células beta en pacientes diabéticos.

Alogénicas: las células se obtienen del cuerpo de un donante de la misma especie que el receptor. Si bien existen algunas limitaciones éticas para el uso de células humanas para estudios in vitro (es decir, desarrollo de quimeras de tejido cerebral humano), el empleo de fibroblastos dérmicos de prepucio humano demuestra una opción inmunológicamente segura y, por lo tanto, viable para la ingeniería de tejidos alogénicos de la piel.

Xenogénicas: estas células se derivan de células aisladas de especies alternativas del receptor. Un ejemplo notable de utilización de tejido xenogénico es la construcción de implantes cardiovasculares a través de células animales. La cría quimérica de humanos y animales plantea preocupaciones éticas en torno al potencial de mejorar la conciencia al implantar órganos humanos en animales.

Singénicas o isogénicas: estas células describen aquellas que nacen de un código genético idéntico. Esto imparte un beneficio inmunológico similar a las líneas celulares autólogas (ver arriba). Las células autólogas pueden considerarse singénicas, pero la clasificación también se extiende a células no derivadas de forma autóloga, como las de un gemelo idéntico, de modelos de investigación genéticamente idénticos (clonados) o células madre inducidas (iSC) relacionadas con el donante.

Células madre

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 "adultas" y "embrionario" células madre 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 reparar tejidos enfermos o dañados, o pueden usarse para desarrollar nuevos órganos..

Did you mean:

Totipotent cells are stem cells which can divide into further stem cells or differentiate into any cell type in the body, including extraembryonic tissue.

Las células

pluripotentes son células madre que pueden diferenciarse en cualquier tipo de célula en el cuerpo, excepto en el 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 transcripcionales en células adultas hasta que se vuelven como células madre embrionarias.

Las células madre

multipotentes se pueden diferenciar en cualquier célula dentro de la misma clase, como la sangre o el hueso. Un ejemplo común de células multipotentes son las células madre mesenquimales (MSC).

Andamios

Los andamios son materiales que han sido diseñados para causar interacciones celulares deseables para contribuir a la formación de nuevos tejidos funcionales para fines médicos. Las células a menudo se 'sembran' 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 unión y migración celular, liberar 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 injertos posteriores al trasplante en un paciente que esperaba una reconstrucción traqueal.

Para lograr el objetivo de la reconstrucción de tejidos, los andamios deben cumplir con algunos requisitos específicos. Se necesita una alta porosidad y un tamaño de poro adecuado para facilitar la siembra y difusión celular a través de toda la estructura tanto de las células como de los nutrientes. La biodegradabilidad es a menudo un factor esencial, ya que los andamios deben ser absorbidos preferentemente por los tejidos circundantes sin necesidad de extirpación quirúrgica. La velocidad a la que se produce la degradación tiene que coincidir tanto como sea 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 andamiaje es capaz de proporcionar integridad estructural dentro del cuerpo y, finalmente, lo hará. se descompondrá dejando el tejido recién formado que se hará cargo de la carga mecánica. La inyectabilidad también es importante para usos clínicos. Investigaciones recientes sobre la impresión de órganos muestran cuán crucial es un buen control del entorno 3D para garantizar la reproducibilidad de los experimentos y ofrecer mejores resultados.

Materiales

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, lo que significa que no causan ningún efecto adverso a las células. La silicona, por ejemplo, es un material sintético no biodegradable que se usa comúnmente como material de administración de fármacos, mientras que la gelatina es un material natural biodegradable que se usa comúnmente en andamios de cultivo celular.

El material necesario para cada aplicación es diferente y depende de las propiedades mecánicas deseadas del material. La ingeniería de tejidos de defectos de 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.

Hay algunos materiales sintéticos versátiles que se utilizan para muchas aplicaciones de andamios diferentes. Uno de estos materiales de uso común 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. PLA se combina comúnmente con PGA para crear ácido poli-láctico-co-glicólico (PLGA). Esto es especialmente útil porque la degradación de 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 andamios.

Los andamios también se pueden construir a partir de materiales naturales: en particular, se han estudiado diferentes derivados de la matriz extracelular para evaluar su capacidad para apoyar el crecimiento celular. Los materiales a base de proteínas, como el colágeno o la fibrina, y los materiales polisacáridos, como el quitosano 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 (p. ej., glutaraldehído, carbodiimida soluble en agua, etc.), es una de las opciones posibles como material de andamiaje. Debido a la unión covalente de los grupos tiol a estos polímeros, pueden entrecruzarse mediante la formación de enlaces disulfuro. El uso de polímeros tiolados (tiomeros) como material de andamiaje para la ingeniería de tejidos se introdujo inicialmente en el 4º Simposio de Europa Central sobre Tecnología Farmacéutica en Viena en 2001. Como los tiomeros son biocompatibles, exhiben propiedades de imitación celular y apoyan de manera eficiente la proliferación y diferenciación de varios tipos de células, se utilizan ampliamente como andamios para la ingeniería de tejidos. Además, se demostró que los tiomeros, como el ácido hialurónico tiolado y el quitosano tiolado, exhiben propiedades curativas de heridas y son objeto de numerosos ensayos clínicos. Además, un fragmento de una proteína de matriz extracelular, como el péptido RGD, puede acoplarse a un material no bioactivo para promover la unión celular. 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 una matriz completamente formada específica para el tipo de tejido deseado. Sin embargo, el andamio descelurizado puede presentar problemas inmunológicos con futuras células introducidas.

Síntesis

Se han descrito varios métodos diferentes en la literatura para preparar estructuras porosas para emplearlas como andamios de ingeniería de tejidos. Cada una de estas técnicas presenta sus propias ventajas, pero ninguna está exenta de inconvenientes.

Autoensamblaje de nanofibras

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 (MEC) natural in vivo, un paso crucial hacia la ingeniería de tejidos de tejidos complejos. Además, estos andamios de hidrogel han demostrado superioridad en biocompatibilidad y toxicología in vivo en comparación con los macroandamios tradicionales y los materiales derivados de animales.

Tecnologías textiles

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 de poliglicólidos no tejidos para aplicaciones de ingeniería de tejidos: tales estructuras fibrosas han resultado 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.

Fundición con disolventes y lixiviación de partículas

La colada con disolventes y la lixiviación de partículas (SCPL) permite la preparación de estructuras con porosidad regular, pero con espesor limitado. Primero, el polímero se disuelve en un solvente orgánico adecuado (p. ej., el ácido poliláctico podría disolverse en diclorometano), luego la solución se vierte en un molde lleno de partículas de porógeno. Tal 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 de porógeno afectará el tamaño de los poros del andamio, mientras que la proporción de polímero a porógeno está directamente relacionada con la cantidad de porosidad de la estructura final. Después de colar la solución de polímero, se deja que el solvente 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 de cloruro de sodio, sacarosa y gelatina o un alifático. solvente como el hexano para usar con parafina. Una vez que el porógeno se ha disuelto completamente, se obtiene una estructura porosa. Además del pequeño rango de grosor que se puede obtener, otro inconveniente de SCPL radica en el uso de disolventes orgánicos que deben eliminarse por completo para evitar cualquier posible daño a las células sembradas en el andamio.

Espuma de gas

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. Luego, 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 restaura gradualmente a los niveles atmosféricos. Durante este procedimiento, los poros se forman por las moléculas de dióxido de carbono que abandonan el polímero, dando como resultado una estructura similar a una esponja. Los principales problemas resultantes de tal técnica son causados por el calor excesivo utilizado durante el moldeo por compresión (que prohíbe la incorporación de cualquier material termolábil en la matriz polimérica) y por el hecho de que los poros no forman una estructura interconectada.

Emulsificación liofilización

Esta técnica no requiere el uso de un porógeno sólido como SCPL. Primero, se disuelve un polímero sintético en un solvente adecuado (por ejemplo, ácido poliláctico en diclorometano), luego se agrega agua a la solución polimérica y los dos líquidos se mezclan 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 solidificada. Si bien la emulsificación y el secado por congelación permiten una preparación más rápida en comparación con SCPL (ya que no requiere un paso de lixiviación que requiere mucho tiempo), aún requiere el uso de solventes. Además, el tamaño de los poros es relativamente pequeño y la porosidad suele ser irregular. La liofilización en sí misma 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.

Separación de fases inducida térmicamente

Al igual que la técnica anterior, el procedimiento de separación de fases TIPS requiere el uso de un solvente con un punto de fusión bajo que sea fácil de sublimar. Por ejemplo, podría usarse 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 polímeros y otra pobre en polímeros. Después del enfriamiento por debajo del punto de fusión del solvente y algunos días de secado al vacío para sublimar el solvente, se obtiene un andamiaje poroso. La separación de fases líquido-líquido presenta los mismos inconvenientes que la emulsificación/liofilización.

Electrohilado

El electrohilado es una técnica muy versátil que se puede utilizar para producir fibras continuas que varían en diámetro desde unas pocas micras hasta unos pocos nanómetros. En una configuración típica de electrospinning, el material de andamiaje deseado se disuelve dentro de un solvente y se coloca dentro de una jeringa. Esta solución se alimenta a través de una aguja y se aplica un alto voltaje a la punta ya una superficie colectora conductora. La acumulación de fuerzas electrostáticas dentro de la solución hace que expulse una fina corriente fibrosa hacia la superficie colectora con carga opuesta o puesta a tierra. Durante este proceso, el solvente se evapora, dejando fibras sólidas que dejan una red altamente porosa. Esta técnica es altamente ajustable, con variación de solvente, voltaje, distancia de trabajo (distancia desde la aguja hasta la superficie de recolección), caudal de solución, concentración de soluto y 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 a la vez. Los cuellos de botella en tales configuraciones son: 1) Mantener uniformemente las variables antes mencionadas para todas las agujas y 2) 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 la tasa de flujo de la solución, los investigadores pueden cambiar drásticamente la arquitectura general del andamio.

Históricamente, la investigación sobre 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 submicrónica a partir de soluciones de polímeros específicamente diseñadas para su uso como in vitro sustratos celulares y tisulares. Este uso temprano de redes electrohiladas para el cultivo celular y la ingeniería de tejidos demostró que varios tipos de células se adherían y proliferaban sobre las fibras de policarbonato. Se observó que, a diferencia de la morfología aplanada que normalmente se observa en el cultivo 2D, las células cultivadas en las fibras electrohiladas exhibieron una morfología tridimensional más redondeada que generalmente se observa en los tejidos in vivo.

Tecnologías CAD/CAM

Debido a que la mayoría de las técnicas anteriores están limitadas en lo que respecta al control de la porosidad y el tamaño de los poros, se han introducido técnicas de fabricación y diseño asistido 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. Luego, el andamio se realiza utilizando la impresión de chorro de tinta de polvos de polímero o mediante el modelado de deposición fundida de un polímero fundido.

Un estudio de 2011 realizado por El-Ayoubi et al. investigó la "técnica de representación gráfica en 3D para producir andamios macroporosos de poli-L-láctida (biocompatibles y biodegradables) con dos tamaños de poro diferentes" a través de la fabricación sólida de forma libre (SSF) con diseño asistido por computadora (CAD), para explorar el reemplazo terapéutico del cartílago articular como una "alternativa a la reparación de tejido convencional". El estudio encontró que cuanto más pequeño es el tamaño del poro junto con el estrés mecánico en un biorreactor (para inducir condiciones similares a las in vivo), mayor es la viabilidad celular en la funcionalidad terapéutica potencial al disminuir el tiempo de recuperación y aumentar la efectividad del trasplante.

Bioimpresión asistida por láser

En un estudio de 2012, Koch et al. se centró en si la bioimpresión asistida por láser (LaBP) se puede utilizar para construir patrones 3D multicelulares en matriz natural, y si las construcciones generadas están funcionando y formando tejido. LaBP organiza pequeños volúmenes de suspensiones de células vivas en patrones establecidos de alta resolución. La investigación fue exitosa, los investigadores prevén que "construcciones de tejidos generados podrían usarse para pruebas in vivo al implantarlos en modelos animales" (14). A partir de este estudio, solo se ha sintetizado tejido de piel humana, aunque los investigadores proyectan que "al integrar más tipos de células (por ejemplo, melanocitos, células de Schwann, células de folículo piloso) en la construcción de células impresas, el comportamiento de estas células en un Se puede analizar un microambiente 3D in vitro similar al natural, lo que es útil para el descubrimiento de fármacos y estudios de toxicología.

Nanomembranas de seda de araña recombinantes autoensambladas

Gustafsson et al. demostraron membranas bioactivas independientes de un tamaño de cm de área, pero con un grosor de solo 250 nm, que se formaron por autoensamblaje de seda de araña en la interfaz de una solución acuosa. Las membranas combinan de manera única el grosor a nanoescala, la biodegradabilidad, la tensión y la fuerza ultra altas, la permeabilidad a las proteínas y promueven la rápida adherencia 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.

Métodos de montaje

Un problema persistente dentro de la ingeniería de tejidos son las limitaciones del 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.

Autoensamblaje

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. Jerry Hu y Kyriacos A. Athanasiou introdujeron el cartílago articular autoensamblado diseñado por Jerry Hu y Kyriacos A. Athanasiou en 2006 y las aplicaciones del proceso han dado como resultado que el cartílago diseñado se acerque a la fuerza del tejido nativo. El autoensamblaje es una tecnología de primera para hacer que las células crezcan en un laboratorio para ensamblarlas 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.

Ensamblaje de plantilla basado en líquido

La superficie aire-líquido establecida por las ondas de Faraday se explora como 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 montaje en la plantilla se puede lograr de manera escalable y paralela. Se demostró que el ensamblaje de hidrogeles a microescala, células, perlas microportadoras sembradas con neuronas y esferoides celulares en diversas estructuras simétricas y periódicas tiene una buena viabilidad celular. La formación de la red neuronal 3D se logró después de un cultivo de tejido de 14 días.

Fabricación aditiva

Podría ser posible imprimir órganos, o posiblemente organismos completos, utilizando técnicas de fabricación aditiva. Un método de construcción innovador reciente utiliza un mecanismo de inyección de tinta para imprimir capas precisas de células en una matriz de gel termorreversible. Las células endoteliales, las células que recubren los vasos sanguíneos, se han impreso en un conjunto de anillos apilados. Cuando se incubaron, estos se fusionaron en un tubo. Esta técnica se ha denominado "bioimpresión" dentro del campo, ya que implica la impresión de componentes biológicos en una estructura que se asemeja al órgano de enfoque.

El campo de los modelos tridimensionales y de alta precisión de los sistemas biológicos es pionero en múltiples proyectos y tecnologías, incluido un método rápido para crear tejidos e incluso órganos completos que involucran una impresora 3D que puede bioimprimir el andamiaje y la capa de células. por capa en una muestra de tejido u órgano de trabajo. El dispositivo es presentado en una charla TED por el Dr. Anthony Atala, M.D., Director del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, y W.H. Boyce y presidente del Departamento de Urología de la Universidad de Wake Forest, en el que se imprime un riñón en el escenario durante el seminario y luego se presenta a la multitud. Se anticipa que esta tecnología permitirá la producción de hígados en el futuro para trasplante y, teóricamente, también para toxicología y otros estudios biológicos.

Recientemente, se empleó el procesamiento multifotónico (MPP) para experimentos in vivo mediante la ingeniería de construcciones de cartílago artificial. Un examen histológico ex vivo mostró que cierta geometría de los poros y el crecimiento previo de condrocitos (Cho) antes de la implantación mejoran significativamente el rendimiento de los andamios tridimensionales creados. La biocompatibilidad lograda fue comparable a las membranas de colágeno disponibles comercialmente. El resultado exitoso de este estudio respalda la idea de que los andamios microestructurados orgánicos-inorgánicos híbridos en forma de poro hexagonal en combinación con la siembra de Cho pueden implementarse con éxito para la ingeniería de tejidos de cartílago.

Andamios

En 2013, utilizando un andamiaje tridimensional de Matrigel en varias configuraciones, se produjeron in vitro importantes organoides pancreáticos. Grupos de pequeñas cantidades de células proliferaron en 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 asemejan al páncreas.

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 posterior desarrollo de organoides. Las modificaciones en la composición del medio produjeron esferas huecas compuestas principalmente de progenitores pancreáticos u organoides complejos que experimentan espontáneamente morfogénesis y diferenciación pancreáticas. 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.

Se consideró que los organoides ofrecían potencialmente miniórganos para pruebas de drogas y células productoras de insulina de repuesto.

Además de los andamios tridimensionales 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 cocultivan células epiteliales y de adipocitos. El kit HyStem es otra plataforma tridimensional que contiene componentes ECM y ácido hialurónico que se ha utilizado para la investigación del cáncer. Además, los componentes del hidrogel se pueden modificar químicamente para ayudar en la reticulación y mejorar sus propiedades mecánicas.

Cultivo de tejidos

En muchos casos, la creación de estructuras biológicas y tejidos funcionales in vitro requiere un cultivo extensivo para promover la supervivencia, el crecimiento y la inducción de la funcionalidad. En general, los requisitos básicos de las células deben mantenerse en cultivo, que incluyen oxígeno, pH, humedad, temperatura, nutrientes y mantenimiento de la presión osmótica.

Los cultivos de ingeniería tisular también presentan problemas adicionales en el mantenimiento de las condiciones de cultivo. En el cultivo celular estándar, la difusión suele ser el único medio de transporte de nutrientes y metabolitos. Sin embargo, a medida que un cultivo se vuelve más grande y más complejo, como en el caso de los órganos modificados y 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 necesarios para inducir la funcionalidad. En muchos casos, la simple cultura 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 válvulas cardíacas, vasos sanguíneos o pericardio.

Biorreactores

En la 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 tales 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. Los biorreactores para aplicaciones específicas y de uso general también están disponibles en el mercado y 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 y bioquímicas en el entorno de la matriz extracelular circundante. Los biorreactores se desarrollan normalmente para replicar el entorno fisiológico específico del tejido que se cultiva (p. ej., flexión y corte de fluidos para el crecimiento del tejido cardíaco). Esto puede permitir que las líneas celulares especializadas prosperen en cultivos que replican sus entornos nativos, pero también convierte a los biorreactores en herramientas atractivas para el cultivo de células madre. Un biorreactor exitoso basado en células madre es efectivo para expandir células madre con propiedades uniformes y/o promover una diferenciación controlada y reproducible en tipos de células maduras seleccionadas.

Existe 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 diseñada específicamente para el propósito de cultivar células en tres dimensiones. 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. Son fáciles de abrir y cerrar, por lo que los esferoides de las células se pueden quitar para realizar pruebas, pero la cámara puede mantener el 100 % de humedad en todo momento. Esta humedad es importante para lograr el máximo crecimiento y función celular. La cámara del biorreactor es parte de un dispositivo más grande que gira para asegurar el mismo crecimiento celular en cada dirección en tres dimensiones.

QuinXell Technologies, ahora bajo Quintech Life Sciences de Singapur, ha desarrollado un biorreactor conocido como TisXell Biaxial Bioreactor, que está especialmente diseñado para la ingeniería de tejidos. Es el primer biorreactor del mundo en tener una cámara de vidrio esférica con rotación biaxial; específicamente para imitar la rotación del feto en el útero; que proporciona un entorno propicio para el crecimiento de los tejidos.

También se han combinado múltiples formas de estimulación mecánica en un solo biorreactor. Mediante el análisis de la expresión génica, un estudio académico descubrió que la aplicación de una combinación de tensión cíclica y estimulación por ultrasonido a las células preosteoblásticas en un biorreactor aceleraba la maduración y la diferenciación de la matriz. La tecnología de este biorreactor de estimulación combinada podría utilizarse para cultivar células óseas de forma más rápida y eficaz en futuras terapias clínicas con células madre.

MC2 Biotek también ha desarrollado un biorreactor conocido como ProtoTissue 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 que la célula crezca y experimente una respiración celular normal.

Las áreas activas de investigación sobre biorreactores incluyen aumentar la escala de producción y refinar el entorno fisiológico, los cuales podrían mejorar la eficiencia y la eficacia de los biorreactores en investigación o uso clínico. Actualmente, los biorreactores se utilizan para estudiar, entre otras cosas, terapias a nivel de células y tejidos, la respuesta de células y tejidos a cambios ambientales fisiológicos específicos y el desarrollo de enfermedades y lesiones.

Generación de fibra larga

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. Estas fibras se crearon utilizando un dispositivo de microfluidos que forma un flujo laminar coaxial doble. Cada 'capa' del dispositivo de microfluidos (células sembradas en ECM, una vaina de hidrogel y finalmente una solución de cloruro de calcio). Las células sembradas se cultivan dentro de la funda de hidrogel durante varios días y luego se retira la funda con fibras celulares viables. Se insertaron varios tipos de células en el núcleo de la MEC, incluidos miocitos, células endoteliales, fibras de células nerviosas y fibras de células epiteliales. Este grupo luego 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 proporcionan una alternativa al diseño de andamiaje tradicional y muchos órganos (como los músculos) están compuestos por células fibrosas.

Órganos bioartificiales

Un órgano artificial es un dispositivo diseñado que puede ser extracorpóreo o implantado para apoyar sistemas de órganos dañados o defectuosos. Los órganos bioartificiales generalmente se crean 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. Si bien algunos ejemplos de órganos bioartificiales aún se encuentran en la etapa de desarrollo de investigación debido a las limitaciones que implica la creación de órganos funcionales, otros se están utilizando actualmente en entornos clínicos de forma experimental y comercial.

Pulmón

Las máquinas de oxigenación por membrana extracorpórea (ECMO), también conocidas como máquinas para el corazón y los pulmones, son una adaptación de las técnicas de derivación cardiopulmonar que brindan apoyo al corazón y los pulmones. Se utiliza principalmente para ayudar a los pulmones durante un período de tiempo prolongado pero aún temporal (1 a 30 días) y permitir la recuperación de enfermedades reversibles. Robert Bartlett es conocido como el padre de ECMO y realizó el primer tratamiento de un recién nacido con una máquina EMCO en 1975.

Piel

La piel fabricada mediante ingeniería tisular es un tipo de órgano bioartificial que a menudo se usa 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 cicatrización más rápida, y el sitio donante se puede volver a extraer varias veces. La piel de aloinjerto a menudo proviene de piel de cadáver y se usa principalmente para tratar 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 formar parte de la piel del huésped. La piel diseñada por tejido ya está disponible en productos comerciales. Integra, que originalmente se usaba solo para tratar quemaduras, consiste en una matriz de colágeno y sulfato de condroitina que se puede usar como reemplazo de la piel. El sulfato de condroitina funciona como componente de los proteoglicanos, lo que ayuda a formar la matriz extracelular. Integra se puede repoblar y revascularizar mientras mantiene su arquitectura de colágeno dérmico, lo que lo convierte en un órgano bioartificial. Dermagraft, otro producto de piel diseñado por ingeniería de tejidos fabricado comercialmente, está hecho de fibroblastos vivos. Estos fibroblastos proliferan y producen factores de crecimiento, colágeno y proteínas ECM, que ayudan a formar tejido de granulación.

Corazón

Dado que la cantidad de pacientes que esperan un trasplante de corazón aumenta continuamente con el tiempo y la cantidad de pacientes en lista de espera supera la disponibilidad de órganos, los órganos artificiales utilizados como terapia de reemplazo para la insuficiencia cardíaca terminal ayudarían a aliviar esta dificultad. Los corazones artificiales generalmente se usan para unir el trasplante de corazón o se pueden aplicar como terapia de reemplazo para el mal funcionamiento del corazón terminal. El corazón artificial total (TAH), presentado por primera vez por el Dr. Vladimir P. Demikhov en 1937, surgió como una alternativa ideal. Desde entonces, se ha desarrollado y mejorado como una bomba mecánica que brinda apoyo circulatorio a largo plazo y reemplaza los ventrículos cardíacos dañados o enfermos que no pueden bombear la sangre adecuadamente, restaurando así el flujo pulmonar y sistémico. Algunos de los TAH actuales incluyen AbioCor, un dispositivo aprobado por la FDA que consta de dos ventrículos artificiales y sus válvulas, no requiere conexiones subcutáneas y está indicado para pacientes con insuficiencia cardíaca biventricular. En 2010, SynCardia lanzó el controlador de libertad portátil que permite a los pacientes tener un dispositivo portátil sin estar confinados en el hospital.

Riñón

Si bien los trasplantes de riñón son posibles, la insuficiencia renal se trata más a menudo con un riñón artificial. Los primeros riñones artificiales y la mayoría de los que se utilizan actualmente son extracorpóreos, como la hemodiálisis, que filtra la sangre directamente, o la diálisis peritoneal, que filtra a través de un líquido en el abdomen. Para contribuir a las funciones biológicas de un riñón, como producir factores metabólicos u hormonas, algunos riñones artificiales incorporan células renales. Ha habido avances en la forma de hacer que estos dispositivos sean más pequeños y más transportables, o incluso implantables. Un desafío que aún debe enfrentar en estos dispositivos más pequeños es contrarrestar el volumen limitado y, por lo tanto, las capacidades de filtrado limitadas.

También se han introducido Bioscaffolds para proporcionar un marco sobre el cual se puede regenerar el tejido renal normal. Estos andamios abarcan andamios naturales (p. ej., riñones descelularizados, hidrogel de colágeno o fibroína de seda), andamios sintéticos (p. ej., ácido poli[láctico-co-glicólico] 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 evaluar si la siembra de células antes de la implantación aumenta la viabilidad, la regeneración y la función eficaz de los riñones. Una revisión sistemática y un metanálisis recientes compararon los resultados de estudios en animales publicados e identificaron que se notifican mejores resultados con el uso de andamios híbridos (mixtos) y siembra de células; sin embargo, el metanálisis de estos resultados no estuvo de acuerdo con la evaluación de los resultados descriptivos de la revisión. Por lo tanto, se recomiendan más estudios que involucren animales más grandes y andamios novedosos, y una reproducción más transparente de estudios previos.

Biomimética

La biomimética es un campo que tiene como objetivo producir materiales y sistemas que reproduzcan los presentes en la naturaleza. 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 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 biológicos. La replicación de sistemas y procesos biológicos también puede usarse 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 a partir de la idea de utilizar fenómenos naturales como inspiración para el diseño de soluciones a problemas humanos. Muchos avances tecnológicos modernos 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 iniciaron 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.

Construyendo redes neuronales en material blando

En 2018, científicos de la Universidad de Brandeis informaron sobre su investigación sobre material blando incrustado con redes químicas que pueden imitar el comportamiento uniforme y coordinado del tejido neural. Esta investigación fue financiada por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Los investigadores presentaron un sistema experimental de redes neuronales, modelado teóricamente como sistemas de reacción-difusión. Dentro de las redes había una serie de reactores modelados, cada uno de los cuales realizaba la reacción de Belousov-Zhabotinsky (BZ). Estos reactores podrían funcionar en una escala de nanolitros.

Los investigadores afirman que la inspiración para su proyecto fue el movimiento de la anguila 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.

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 inhibitorio o excitatorio). 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.

Mercado

La historia del mercado de la ingeniería de tejidos se puede dividir en tres partes principales. El tiempo antes del desplome del mercado biotecnológico a principios de la década de 2000, el desplome y el tiempo posterior.

Principio

La mayoría de los primeros avances en la investigación de ingeniería de tejidos se realizaron en EE. UU. Esto se debe a regulaciones menos estrictas con respecto a la investigación con células madre y más financiamiento disponible que en otros países. Esto lleva a la creación de startups académicas muchas de ellas provenientes de Harvard o MIT. Los ejemplos son BioHybrid Technologies, cuyo fundador, Bill Chick, asistió a la Escuela de Medicina de Harvard y se centró en la creación de páncreas artificial. Otro ejemplo sería Organogenesis Inc., cuyo fundador fue al MIT y trabajó en productos de ingeniería de la piel. Otras empresas vinculadas al MIT son TEI Biosciences, Therics y Guilford Pharmaceuticals. 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 comerciales de estas primeras empresas a menudo no eran muy claros y no presentaban un camino hacia la rentabilidad a largo plazo. Los patrocinadores gubernamentales estaban más restringidos en su financiación ya que la ingeniería de tejidos se consideraba una inversión de alto riesgo.

En el Reino Unido, el mercado tuvo un comienzo más lento a pesar de que las regulaciones sobre la investigación con células madre tampoco eran estrictas. Esto se debe principalmente a que más inversores están menos dispuestos a invertir en estas nuevas tecnologías, que se consideraban inversiones de alto riesgo. Otro problema al que se enfrentaban las empresas británicas era conseguir que el NHS pagara por sus productos. Esto especialmente porque el NHS realiza un análisis de rentabilidad en todos los productos admitidos. Las nuevas tecnologías a menudo no funcionan bien en este sentido.

En Japón, la situación regulatoria era bastante diferente. Primero, el cultivo de células solo se permitió en un entorno hospitalario y, en segundo lugar, a los científicos académicos empleados por universidades estatales no se les permitió el empleo externo hasta 1998. Además, las autoridades japonesas tardaron más en aprobar nuevos medicamentos y tratamientos que sus homólogos estadounidenses y europeos.

Por estas razones, en los primeros días del mercado japonés, la atención se centró principalmente en obtener productos que ya estaban aprobados en otros lugares de Japón y venderlos. A diferencia del mercado estadounidense, los primeros actores en Japón fueron principalmente grandes empresas o subempresas de empresas tan grandes, como J-TEC, Menicon y Terumo, y no pequeñas empresas emergentes. 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.

Choque

Poco después del gran auge, comenzaron a aparecer los primeros problemas. Hubo problemas para que la FDA aprobara los productos y, si los aprobaban, a menudo había dificultades para que los proveedores de seguros pagaran por los productos y para que los proveedores de atención médica los aceptaran.

Por ejemplo, la organogénesis tuvo problemas para comercializar su producto e integrarlo en el sistema de salud. Esto se debe en parte a las dificultades de manipular células vivas y las crecientes dificultades que enfrentan los médicos al usar estos productos en lugar de los métodos convencionales.

Otro ejemplo sería el producto para la piel Dermagraft de Advanced Tissue Sciences, que no podría crear una demanda lo suficientemente alta sin los reembolsos de los proveedores de seguros. Las razones de esto fueron el precio de $ 4000 y la circunstancia de que, además, Advanced Tissue Sciences luchó para que los médicos conozcan su producto.

Los ejemplos anteriores demuestran cómo las empresas lucharon por obtener ganancias. Esto, a su vez, hace que los inversores pierdan la paciencia y dejen 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, estos eran los únicos que tenían productos comerciales para la piel en el mercado.

Resurgimiento

Las tecnologías de las empresas en bancarrota o en apuros a menudo fueron compradas por otras empresas que continuaron el desarrollo bajo modelos comerciales más conservadores. Ejemplos de empresas que vendieron sus productos después del plegado fueron Curis e Intercytex.

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 a corto plazo. Ejemplos de este tipo de productos son los productos de la industria cosmética y de pruebas.

En otros casos, como en el caso de Advanced Tissue Sciences, los fundadores iniciaron nuevas empresas.

En la década de 2010, el marco regulatorio también comenzó a facilitar un tiempo de comercialización más rápido, especialmente en los EE. UU., ya que la FDA creó nuevos centros y vías específicamente dirigidos a productos provenientes de células vivas, como el Centro de Evaluación e Investigación Biológica.

Los primeros productos de ingeniería de tejidos comenzaron a ser comercialmente rentables en la década de 2010.

Regulación

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 por células y una estructura de soporte. Si bien algunos productos pueden aprobarse como medicamentos, otros deben obtener la aprobación como dispositivos médicos. 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.

Se han observado nuevos regímenes regulatorios en Europa que abordan estos problemas. Una encuesta realizada en el Reino Unido da una explicación a las dificultades para encontrar un consenso regulatorio en esta materia. 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. La regulación se complica aún más por las controversias éticas asociadas con este y otros campos de investigación relacionados (por ejemplo, la controversia sobre las células madre, la ética del trasplante de órganos). La misma encuesta mencionada anteriormente muestra, en el ejemplo del trasplante autólogo de cartílago, que una tecnología específica puede considerarse como 'pura' o 'contaminado' 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 el abastecimiento y procesamiento de tejidos humanos que fue adoptada por el Parlamento Europeo en 2004 y una propuesta de regulación de Productos de Ingeniería de Tejidos Humanos. Este último fue desarrollado bajo los auspicios de la DG Empresa de la Comisión Europea y presentado en Bruselas en 2004.