Terapias para la ingeniería tisular

Si bien la ingeniería tisular ha obtenido relevantes avances en la reconstrucción de tejido útil y sano en sistemas orgánicos como hueso [33], vasos sanguíneos [34], apéndices faciales [35] u órganos parciales [36] en cuestión de solo dos o tres décadas, recuperar las conexiones perdidas en el sistema nervioso ha supuesto tradicionalmente un reto muy complejo y en el que los investigadores han debido ser especialmente prudentes y metódicos.

La primera idea que se abordó con ese fin fue utilizar segmentos de otro nervio del propio sujeto para utilizarlo como autoinjerto en zonas donde hubiese quedado dañada una longitud excesiva para empalmar los extremos distal y proximal. Aunque esta idea no es estrictamente nueva [3,37], ha ofrecido resultados muy prometedores regenerando de manera funcional distancias de hasta 15 – 20 cm en SNP o pequeños segmentos del encéfalo [38], hasta el punto en que es complejo encontrar un dispositivo que dé un

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23 resultado igual de satisfactorio [39] y, de hecho, se utiliza en la actualidad como la referencia estándar o control positivo de otras soluciones experimentales [40–42]. El inconveniente de este procedimiento es bien claro, puesto que requiere dos intervenciones quirúrgicas invasivas (una para tomar un fragmento de nervio y otra para injertarlo donde se requiere) y tejido sano del sujeto, lo que obviamente es una fuente limitada. Para evitar tener que recurrir a seccionar nervios sanos, se han realizado ensayos con otros tejidos más abundantes aunque similares como colágeno tendinoso [43], epimisio de fibras musculares [44] o incluso matriz extracelular (ECM) del SNC [45], pero por muy prometedores que sean los resultados, la tendencia actual va encaminada a intentar buscar terapias que no dependan de otras zonas de tejido del huésped.

Para sortear este inconveniente, se pensó en aplicar las técnicas de ingeniería para el desarrollo de materiales con dimensiones, morfología y características determinadas de la industria en la síntesis de dispositivos implantables o biomateriales. La idea de esta estrategia es utilizar sustancias o reactivos de fuente exógena al organismo dañado para confeccionar estructuras que presenten similitudes a las que están presentes en los órganos y sistemas, de modo que estas sean biocompatibles, se integren adecuadamente en el tejido circundante y puedan ser invadidos o sustituidos por células nativas para que estas restituyan la función orgánica perdida.

Los primeros biomateriales en los que se trabajó fueron sustancias de origen natural y de naturaleza idéntica o muy similar al tejido a restituir, bajo la hipótesis de que las células generarán un rechazo menor en contacto con estructuras y moléculas que puedan reconocer y que no interfieran en sus funciones metabólicas. Así, se comenzó a probar con matrices basadas en mezclas genéricas de sustancias de la ECM [46,47], pero también con andamiajes o scaffolds (por su nombre en inglés) constituidos por moléculas purificadas también de la ECM o mezclas controladas de estas [48,49]. Ejemplos como el colágeno [50–53], otras proteínas [54,55] y algunos polisacáridos [50,56,57] son especialmente interesantes porque son relativamente abundantes en la matriz extracelular y las propiedades del scaffold son muy reproducibles (por ser sustancias o mezclas puras). Además, estos se pueden obtener en forma de matrices tridimensionales porosas, de fibras, de conductos tubulares o incluso de soluciones líquidas gelificables in situ. Este último concepto ha ganado mucha aceptación en los últimos años porque permite introducir el biomaterial con una mera inyección, ya que coagula en contacto con alguna propiedad fisiológica (temperatura, presencia de iones…) y, aunque la mayoría están basados en polipéptidos autoensamblantes [58–61] que no se encuentran en los tejidos

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de mamíferos, presentan motivos proteicos similares a secuencias de interacción célula-entorno muy conocidas y favorables para las células como la RGD (arginina, glicina y ácido aspártico). Ahora bien, no debe olvidarse que los tejidos de un organismo se forman gracias a un complejo entramado de interacciones jerárquicas entre diferentes tipos celulares que son prácticamente imposibles de emular tomando los elementos por separado, por lo que el principal defecto de los scaffolds de origen natural o de composición muy similar es que suelen ser muy blandos, difíciles de manipular y acostumbran a ser degradados por el entorno en un tiempo insuficiente como para que sirvan de apoyo efectivo. Además, las moléculas naturales se suelen extraer de fuente animal o bacteriológica porque suele ser más económico que sintetizarlas químicamente, por lo que siempre existe cierto riesgo de contaminación biológica o incompatibilidad inmune por las diferencias entre especies o sujetos.

Los biomateriales de origen sintético han pretendido, desde su introducción en la ingeniería tisular, suplir las carencias de los naturales en cuanto a que se conocen múltiples modos de sintetizarlos, se pueden conformar como estructuras de morfología muy controlable (Figura 5) y además sus propiedades se pueden modular realizando pequeñas variaciones en su estado físico o termodinámico. Originalmente, para regeneración de SNP se comercializaron sencillos conductos de silicona, pero estos fueron rápidamente sustituidos y optimizados por no ser degradables, porque formaban una cápsula fibrosa excesiva y por problemas con la compresión de los nervios. De entre los más usados actualmente se encuentra la poli-ε- caprolactona [62–64], el ácido poli-L-láctico [65,66], el copolímero ácido poli(láctico-co-glicólico) o PLGA, [67,68] u otros de diferente naturaleza [69– 71]. Cada uno de ellos tiene un módulo mecánico y viscoelástico, una densidad, una reactividad química, una temperatura de transición vítrea (en su caso) y una solubilidad en diferentes solventes que le es característica y que suele ser cuantitativamente diferente del resto, por lo que dependiendo del tipo de tejido que se pretende regenerar se puede seleccionar el más adecuado y conformarlo en forma de un scaffold tridimensional que emule dicho tejido. Por ejemplo, se pueden seleccionar polímeros elásticos y resistentes para sustituir cartílago o tendones, pero si se desean obtener implantes corneales el material deberá ser necesariamente flexible y transparente.

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Figura 5. Se está experimentando actualmente con la posibilidad de utilizar las técnicas de diagnóstico por imagen para generar implantes óseos para reconstrucción maxilofacial. En el ejemplo, a partir de una secuencia tomográfica exacta del paciente (izquierda), se modelizó la pieza ósea sustituta con un programa CAD 3D (centro) y se imprimió un scaffold de PLGA (derecha) con dimensiones y porosidad controladas (detalle). Extraída de la referencia [72].

Cabe destacar, para dar cuenta del auge que han tenido los biomateriales en general en las últimas décadas, que todos los ejemplos citados están orientados al sistema nervioso y que, si bien es cierto que la mayoría de las soluciones están diseñadas para regeneración de nervios porque permiten estrategias bastante sofisticadas y se obtienen resultados muy prometedores [73], existen algunas orientadas a restituir tejido del SNC e incluso algunas aproximaciones para tejido encefálico [62,63], a pesar de las limitaciones ya descritas. Ahora bien, los biomateriales sintéticos tampoco constituyen un remedio perfecto, en cuanto a que no se conocen por completo las rutas metabólicas de las células del huésped con las que el biomaterial puede interaccionar, suelen generar una moderada reacción a cuerpo extraño que impide la óptima integración del implante y suelen requerir técnicas de cirugía invasiva. Es más, tanto si son biodegradables por el organismo como si no, pueden suponer un problema ya que en el primer caso los metabolitos de degradación pueden producir toxicidad y si no son degradables forman una barrera al libre flujo de nutrientes, gases y moléculas bioactivas.

Paralelamente, hace ya bastante tiempo que se puso en práctica la posibilidad de trasplantar células directamente en el tejido lesionado con el fin de compensar la pérdida de estas en la zona dañada e intentar que generen tejido nuevo sano. En un primer momento se utilizó células maduras del mismo linaje celular que aquellas que se habían perdido, tomando pequeñas muestras mediante biopsias [74,75]. Más tarde, los descubrimientos que se hicieron acerca de la multipotencialidad de algunas células y la capacidad para controlar su diferenciación según las condiciones ambientales llevaron a los investigadores a experimentar en modelos in vivo con injertos de las llamadas células madre [76–78], bajo la hipótesis de que el propio entorno del organismo serviría de estímulo para autogestionar la proliferación y diferenciación de dichas células madre hasta alcanzar niveles terapéuticos regenerativos.

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Sin embargo, si por una parte las células maduras tenían el defecto de que al estar muy especializadas su tasa de proliferación solía ser relativamente baja y que en ocasiones la cantidad de tejido disponible para biopsiar era muy limitado, la terapia con células madre pronto evidenció sus limitaciones. Al margen de que los reservorios de células madre suelen encontrarse en regiones de acceso complejo, al injertarlas en un entorno nocivo y hostil como es tejido dañado, estas suelen morir espontáneamente o migrar a zonas adyacentes registrándose poblaciones inferiores al 10% tras varias semanas, de las cuales solo una pequeña parte presentaban el fenotipo de células especializadas [79,80]. Y por si fuera poco, al no conocer con rigurosidad muchas de las rutas metabólicas que activan la diferenciación de diferentes linajes celulares, algunos ensayos clínicos e in vivo en modelos animales han producido efectos inesperados y adversos, como es el caso de formación de matriz ósea en el párpado de una paciente o la formación de teratomas a falta de un estímulo que inhiba la proliferación descontrolada, de los que desgraciadamente hay varios casos descritos [81].

Figura 6. Diagrama de los potenciales usos de la técnica de reprogramación para formar células madres pluripotenciales inducidas (iPS). Extraída de la referencia [82].

En los últimos años el uso de células madre ha despertado un renovado interés desde que el grupo de Yamanaka consiguió reprogramar células maduras para que se comportasen como células madre [83,84], lo que le hizo merecedor del Premio Nobel en Fisiología o Medicina en 2012 y podría suponer una fuente virtualmente inagotable de células de cualquier linaje a partir de células somáticas, como por ejemplo adipocitos o células epiteliales cutáneas, si se cultivan en condiciones muy controladas. De este modo, sería posible utilizar las células obtenidas para realizar injertos citológicos o realizar cualquier tipo de experimento in vitro, como análisis fenotípico y fisiológico de la célula o realizar baterías de pruebas de fármacos y factores para evaluar su rendimiento terapéutico o su toxicidad.

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27 Sin embargo, aunque la terapia celular ha obtenido resultados prometedores y por su parte la farmacología está utilizando los hallazgos en metabolómica en su favor para maximizar el éxito de los tratamientos usando terapia génica, factores bioactivos y fármacos “a medida” [85–87], lo cierto es que estas estrategias por separado no pueden solventar los problemas que les son inherentes. Por ello, la tendencia actual va orientada a combinar los diferentes enfoques de la ingeniería tisular, ya que los biomateriales pueden proporcionar el contexto tridimensional (sirvan como ejemplo las referencias [88–92]) del que carecen las células cuando se implantan al no haber matriz extracelular ni un entorno amigable, y también pueden actuar como dispositivo de liberación controlada de fármacos [93–95] que ayude además a dirigir selectivamente la zona u órgano donde deben actuar estas moléculas, en el caso de administrarlas por vía oral o intravenosa [96,97]. Incluso se están valorando en la actualidad otro tipo de enfoques terapéuticos que han sido menos estudiados desde el punto de vista de la ingeniería tisular [98] para complementar la capacidad regenerativa que se espera obtener con sistemas mixtos mediante el uso de campos electromagnéticos o sistemas nanoelectrónicos que permitan estimular físicamente las células en contacto o recabar información electrofisiológica in situ [99,100]. Es más, las técnicas de cultivo in vitro se han adaptado a los nuevos requisitos implementando los scaffolds tridimensionales y bioreactores que simulan factores como cargas mecánicas intermitentes o flujo continuo de nutrientes para emular mejor las condiciones del organismo de modo que se puedan extrapolar mejor los resultados. Si se llega a conocer con detalle las rutas metabólicas de las células de diferentes linajes, su comportamiento frente a cualquier estímulo y se consigue obtener una fuente abundante de células sanas autólogas que puedan ser amplificadas in vitro en condiciones casi idénticas a las del órgano de origen, la regeneración funcional de los tejidos humanos será una realidad incluso ante lesiones o enfermedades para las que hoy en día no hay ni siquiera remedios paliativos.