Apuntes completos Biotecnología Regenerativa - Ingeniería de Tejidos PDF

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Warning: TT: undefined function: 32 Warning: TT: undefined function: 32 Tema 1. Introducción a la ingeniería de tejidos / biotecnología regenerativaTEMA 1. INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA DE TEJIDOS /BIOTECNOLOGÍA REGENERATIVAINTRODUCCIÓNEl hígado se regenera hasta cuando solo nos quedamos con un 25% d...

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Tema 1. Introducción a la ingeniería de tejidos / biotecnología regenerativa

TEMA 1. INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA DE TEJIDOS / BIOTECNOLOGÍA REGENERATIVA INTRODUCCIÓN El hígado se regenera hasta cuando solo nos quedamos con un 25% de órgano. No alcanza el mismo volumen y forma, pero el órgano regenerado sí realiza la misma función que el hígado original. Otros ejemplos de tejidos que regeneran son la piel, el hueso, el músculo (en menor medida), etc… dependiendo siempre de la gravedad de la lesión. Los niños pequeños pueden llegar a regenerar la parte terminal del dedo, mientras quede un poco de uña. En definitiva, la capacidad de regeneración se va perdiendo con el tiempo y la hemos perdido con respecto a los animales con gran capacidad de regeneración (como las lagartijas). La medicina regenerativa es una rama de la medicina que busca restaurar la funcionalidad y estructura de un tejido u órgano que ha sido dañado debido a una enfermedad, trauma o problemas congénitos. Esta área sostiene la promesa de regenerar tejidos u órganos dañados, estimulándolos para que se curen por sí mismos. Es decir, se basa en las capacidades intrínsecas de la regeneración para curar a los pacientes. La medicina regenerativa representa un gran cambio con respecto a la medicina tradicional, que trata de reparar o paliar síntomas. Así, mediante regeneración de tejidos o reemplazo, podremos resolver problemas médicos que hasta ahora no tenían solución. NOTA: reemplazo, dentro de la medicina regenerativa, no hace referencia a prótesis u órganos sintéticos, sino a órganos artificiales biológicos. Dentro de la medicina regenerativa, tenemos distintos tipos: -

Ingeniería de tejidos. Terapia celular. Terapia génica. Terapia con pequeñas moléculas o proteínas. Terapias asociadas a biomateriales.

Ingeniería de tejidos La ingeniería de tejidos (1993) es un campo interdisciplinario que aplica los principios de la ingeniería y la ciencia de la vida al desarrollo de sustitutos biológicos que restauran, mantienen o mejoran la función de un tejido u órgano completo. Actualmente, la ingeniería de tejidos es el uso de los procesos físicos, químicos, biológicos y de ingeniería para controlar y dirigir el comportamiento de las células. Trata de estudiar los parámetros que hacen que las células se conviertan en un tejido u órgano funcional.

Ingeniería de tejidos vs medicina regenerativa -

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Ingeniería de tejidos: el tejido se produce in vitro (en el laboratorio) mediante la siembra de las células en una matriz de biomaterial. Posteriormente, el tejido regenerado es implantado en el cuerpo del paciente (remodelación). Medicina regenerativa: trata de facilitar la regeneración del tejido in vivo, a través de mecanismos de auto-curación, mediados por reguladores endógenos (incluidas la señalización química y mecánica) o el suministro exógeno de células, biomoléculas y estructuras de soporte apropiadas.

Tema 1. Introducción a la ingeniería de tejidos / biotecnología regenerativa En definitiva, la ingeniería de tejidos persigue reemplazar el tejido dañado mediante cultivo in vitro e implante, mientras que la medicina regenerativa trata de que el cuerpo se encargue de la regeneración ( in vivo), ayudándole a ello. Pese a ello, los dos conceptos se suelen utilizar como sinónimos.

Terapia celular La terapia celular se basa en la administración de células vivas a un paciente como tratamiento de una enfermedad. No hablamos de emular un tejido u órgano ni reemplazarlo, aunque esto no significa que no utilicemos biomateriales. El trasplante de médula es un ejemplo de terapia celular. El primer trasplante exitoso de médula se realizó en 1956.

Terapia génica La terapia génica es un conjunto de estrategias dirigidas a modificar la expresión génica de las células de un individuo. En ellas, se administra un ácido nucleico específico: DNA o RNA. Objetivos: eliminar o inactivar (knock out) un gen mutado origen de una enfermedad o introducir genes nuevos que nos ayuden a combatir una patología. -

In vivo: la terapia se administra directamente a las células en el organismo. Ex vivo: se extraen las células del paciente, se modifican en el laboratorio y, posteriormente, se implantan en el paciente.

Tema 1. Introducción a la ingeniería de tejidos / biotecnología regenerativa Terapias con proteínas y otras moléculas pequeñas Este tipo de terapias utiliza pequeñas moléculas o proteínas (factores de crecimiento, entre otras) para controlar las rutas que regulan la regeneración tisular. Los factores de crecimiento son sustancias secretadas por el organismo cuya función es estimular el crecimiento y proliferación celular, y desencadenar otras respuestas en las células. Hay terapias con factores de crecimiento como monoterapia, pero es habitual ver combinaciones de terapias. Ejemplos: PDGF para la cura de heridas y BMP para la regeneración del hueso. El objetivo actual de la medicina regenerativa es descubrir pequeñas moléculas que sean capaces de activar rutas y células en estado de latencia (inactivas), de forma que se restaure la capacidad natural del cuerpo de regenerar ciertos tejidos.

Terapias asociadas a biomateriales Estas terapias utilizan materiales bioactivos que son capaces de inducir un crecimiento controlado y una regeneración total del tejido. Se pueden utilizan en monoterapia, pero suelen estar asociados a otras terapias, como con células o proteínas. Un biomaterial inerte o biotolerante no es parte de la medicina regenerativa; tiene que ser bioactivo (fomenta que las células regeneren). El biomaterial es importante en todas las terapias mencionadas.

TRIADA DE LA INGENIERÍA DE TEJIDOS Triada necesaria para hacer un tejido: -

Células. Soporte o matriz: elegir el biomaterial adecuado. Señalización: química, principalmente, como factores de crecimiento. Es necesaria para la estimulación de la proliferación celular, la síntesis de matriz y la diferenciación de células madre.

La célula no está sola, sino que está interaccionando con una matriz extracelular y con otras células, que a su vez también interaccionan con otros elementos; se trata de un entramado en tres dimensiones. Hay adhesión, comunicación e interacción con moléculas (de distintos tipos y concentraciones, como citoquinas u hormonas). Las propiedades físicas y mecánicas pueden variar, lo que influye en la respuesta de la célula.

Tema 1. Introducción a la ingeniería de tejidos / biotecnología regenerativa PERSPECTIVA HISTÓRICA: hechos históricos -

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El primer trasplante exitoso de médula ósea se realizó en 1956 por Dr E Donnall Thomas en Nueva York. En los años 80, aparece en la literatura el término “ingeniería de tejidos”, en casos de manipulación quirúrgica de tejidos y órganos o en casos de utilización de prótesis o biomateriales. En 1981, se desarrolló un sustituto de un tejido, el epitelial. Este estaba constituido por un cultivo de fibroblastos de la dermis y queratinocitos sobre scaffolds de colágeno y carbohidratos, para la regeneración de heridas por quemado. Alexis Carrel (1873-1944): considerado el fundador del trasplante de órganos moderno, fue pionero en el trabajo con cultivos celulares. En 1912, ganó el Premio Nobel de Medicina por la técnica de anastomosis vascular, que permitía unir vasos sanguíneos y con ello, facilitaba los trasplantes. Trabajó además en el almacenamiento de órganos y en el cultivo de células y de órganos (que presentaba más problemas de difusión y contaminación que el cultivo celular). Carrel estudió el cultivo de órganos con el objetivo de que estos sirvieran como herramienta en investigación y como tratamiento de reemplazo en fines clínicos. Charles Lindbergh (1902-1974): fue un ingeniero que trabajó en el laboratorio de Carrel. Inventó un gran número de dispositivos que mejoraban el cultivo de células y órganos, o lo facilitaban. La Bomba de Lindbergh para el Cultivo de Órganos (máquina para administrar suero fisiológico) fue utilizada exitosamente en casi 900 experimentos para perfundir y mantener a los órganos vivos y funcionales. La clave del éxito fue que el aparato se podría esterilizar, ya que estaba compuesto por vidrio, y al ser autoclavado se eliminaba la contaminación. En 1984, Wolter y Meyer utilizaron por primera vez el término de ingeniería de tejidos en el sentido moderno y debatieron el uso de plásticos (PMMA) para la regeneración de la córnea. En 1988, Langer y Vacanti publicaron el primer artículo de ingeniería de tejidos con células (condrocitos) en materiales sintéticos (PGA, ácido poliglicólico). En 1990, 3.5 mil millones de dólares se invirtieron en ingeniería de tejidos (90% proveniente de financiación privada). En 1992, Langer y Vacanti publicaron por primera vez un artículo describiendo la nueva tecnología. En 1994, Brittberg y Peterson publicaron el primer artículo acerca de la implantación de condrocitos autólogos en humanos (Carticel). En 1999, se constituyó el término de “medicina regenerativa”. Este concepto fue acuñado por Willian Haseltine durante una conferencia, en el intento de describir un campo emergente que combinaba conocimientos derivados de diferentes materias: ingeniería de tejidos, trasplante de células, biología de células madre, prótesis biomecánicas, nanotecnología, bioquímica, etc. Entre 2003 y 2006, se dio un periodo oscuro en el que las cosas fueron muy mal muy rápidamente. Desde 2007 hasta ahora, la industria de la ingeniería de tejidos está en creciente éxito. Esta está muy avanzada en la creación de tejidos en 2D, como la córnea. También, es posible crear estructuras tubulares, como tráqueas. Estructuras viscosas como la vejiga u órganos sólidos como el riñón son más difíciles de conseguir.

Tema 1. Introducción a la ingeniería de tejidos / biotecnología regenerativa ADVANCED THERAPY MEDICINAL PRODUCTS (ATMPs) ATMPs son terapias innovadoras basadas en células o genes. Son muy diferentes de los medicamentos basados en moléculas químicas o de origen biológico/biotecnológico. Pese a ello, también requieren de controles para su aprobación. Es muy difícil regular las condiciones que tienen que tener estos medicamentos. Las agencias tienen que asegurar todo antes de que llegue al paciente. Clasificación: -

Productos de terapia génica (GTMP). Productos de terapia celular (CTMP). Productos de ingeniería de tejidos (TEP). Combinaciones.

Actualmente, hay 8 terapias de medicina avanzada.

La ingeniería de tejidos es posible hoy en día debido a: -

Ciencia de materiales e ingeniería: descubrimiento de nuevos materiales sintéticos y técnicas de manufactura más sofisticadas. Biología celular: avances en tecnología de células madre (de diferentes fuentes), cultivo celular in vitro (manteniendo el fenotipo) y células modificadas genéticamente. Biología molecular y genética: producción de factores de crecimiento recombinantes.

Tema 2. Interfaz material – sistema biológico: biocompatibilidad

TEMA 2. INTERFAZ MATERIAL – SISTEMA BIOLÓGICO: BIOCOMPATIBILIDAD APROXIMACIONES PARA TRATAR PATOLOGÍAS ¿Qué implica la ingeniería de tejidos? Se considera un paso más en la evolución de la medicina. Los tratamientos existentes se reducen a dos aproximaciones: -

Tratamientos basados en fármacos. Tratamientos quirúrgicos.

Gracias a ellos, ha aumentado enormemente la esperanza de vida de la población. Sin embargo, hay una serie de patologías que no funcionan tan bien con esta aproximación fármaco-quirúrgica. Muchas de ellas están relacionadas con la pérdida de función de un tejido u órgano (debido a un trauma, una enfermedad o por envejecimiento). Alrededor de los años 90 del siglo pasado, se empezó a trabajar con células madre (pluripotentes). Con ellas, se puede regenerar la función de tejidos u órganos que se han perdido o que funcionan mal. Esto dio lugar a la tercera aproximación, que es la biotecnología regenerativa. Sin embargo, esta aproximación presenta problemas relacionados con la dificultad para que las células regeneren lo que se quiere (la potencialidad la tenemos, nos falta guiarlo de una manera adecuada). Es decir, una cosa es tener una célula que potencialmente puede regenerar cualquier órgano y otra es que esta célula haga lo que nosotros queremos. Esto es lo que define el paso de medicina regenerativa a ingeniería de tejidos. Este gran paso consiste en decir “vamos a coger las células madre y vamos a guiarlas”. Lo hacemos con moléculas adecuadas, como citoquinas, factores de crecimiento o cualquier molécula soluble que dirija a la célula al punto deseado. Además, necesitamos un material propicio. La célula, para que desarrolle su potencialidad y regenere un tejido u órgano, necesita estar en un soporte adecuado. Por ello, el desarrollo de materiales de los últimos años ha sido vital para la ingeniería de tejidos. En definitiva, para guiar a la célula necesitamos un nicho compuesto por señales moleculares y un material apropiado. RESUMEN. Ingeniería de tejidos = trabajo con células madre + creación de un nicho adecuado. Las células madre son poco inmunogénicas y si se controla bien el tratamiento, no generan tumores. Las únicas que van asociadas con problemas éticos son las embrionarias.

MATERIALES UTILIZADOS Recordatorio de materiales: Metálicos

Cerámicos

Poliméricos

Titanio Acero 316* Magnesio Aleaciones de cobalto

Hidroxiapatita* Alúmina Zirconia Bioglass*

PGA PLA PGLA: PGA + PLA Nylon Teflón

La lista de materiales de los que disponemos es muy corta.

*Acero 316: tipo de acero inoxidable. *Hidroxiapatita: material cerámico de nuestros huesos. *Bioglass: vidrio de silicio con fósforo, muy empleado en cirugía maxilofacial.

Tema 2. Interfaz material – sistema biológico: biocompatibilidad ¿Qué condiciones le podemos pedir a un biomaterial? -

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Estabilidad química: controlar cómo va a evolucionar el material químicamente dentro del organismo. ¿Es mejor utilizar materiales permanentes o biodegradables? Depende de la aplicación. Hay que evitar la corrosión (los fluidos biológicos son muy corrosivos). Resistencia mecánica. Resistencia al desgaste: muy importante en prótesis articulares. Compatibilidad mecánica: es deseable que el material que vayamos a implantar sea parecido en términos de comportamiento mecánico al tejido que estamos sustituyendo.

Estas son las propiedades con las que se ha llegado a seleccionar los materiales de la tabla. Son condiciones necesarias, pero no suficientes para un biomaterial. Tenemos que ir más allá para descubrir por qué el cuerpo reacciona de una manera con unos materiales y de forma distinta con otros. Esto es lo que al final nos indicará si podemos introducir un material en el organismo o no.

BIOCOMPATIBILIDAD El siguiente punto clave es: ¿qué es la biocompatibilidad? Clasificación de los biomateriales: -

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Nocivo. Un material puede ser nocivo por 3 motivos: 1. Que sea tóxico: produce necrosis o citotoxicidad; mata al tejido. 2. Que sea carcinogénico: puede inducir un tumor. 3. Que induzca una respuesta inflamatoria crónica. Esta es la más “peligrosa”, porque los otros dos se pueden detectar en los ensayos, pero un material puede ser muy prometedor en los tests in vitro, pero al introducirlo en el cuerpo, puede producir una reacción de inflamación. Biotolerante: el material queda rodeado de tejido conjuntivo sano, pero no funcional (no es tejido útil; no desempeña ninguna función). Bioinertes: el material como tal no sufre evolución (es estable químicamente) y sobre su superficie crece tejido funcional. Por ejemplo, si inserto una prótesis de hueso bioinerte, encima de ella crece nuevo tejido óseo, no crece tejido conjuntivo. Bioactivo: el material evoluciona dentro del organismo de una manera controlada y que resulta beneficiosa.

En definitiva, un material será biocompatible si es biotolerante, bioinerte o bioactivo; es decir, cuando no es nocivo. Los materiales biotolerantes son aceptados en medicina; de hecho, prácticamente todos los materiales de la tabla anterior son biotolerantes (excepto la hidroxiapatita y el bioglass). La creación de este tejido conectivo no funcional puede generar problemas, pero a largo plazo. Un ejemplo grave de los problemas relacionados con tejido conjuntivo no funcional es la silicosis, que es una enfermedad que no tiene cura y que afecta al sistema respiratorio por inhalar polvo sílice. En ella, el tejido normal se sustituye por tejido conjuntivo sano no funcional y se produce la fibrosis. NOTA: una prótesis de cadera tiene una vida media de 20 años. Se está intentando que las prótesis tengan una vida útil indefinida. Sin embargo, desde el ámbito de la ingeniería de tejidos (que es una rama más restringida de la medicina, o de los biomateriales), realmente las dos únicas alternativas viables son materiales bioinertes y bioactivos → se intenta evitar un comportamiento biotolerante.

Tema 2. Interfaz material – sistema biológico: biocompatibilidad Esto es debido a que en ingeniería de tejidos lo que se pretende precisamente es recuperar la funcionalidad del tejido.

REACCIÓN AL IMPLANTE Al introducir un implante en el organismo, se desencadena una respuesta. Etapas: 1. Tras la intervención quirúrgica, tiene lugar una parada de la hemorragia y una respuesta inflamatoria (por el sistema inmune). NOTA: cuando antes hemos mencionado que una de las respuestas nocivas era la inflamación, es solo cuando esta es crónica. La inflamación es la respuesta normal cuando se introduce un implante, pero posteriormente desaparece. Hay que tener en cuenta que la introducción de un implante conlleva la aparición de una herida, de manera que es inevitable que haya inflamación. 2. Actúan los fibroblastos y macrófagos, que crean tejido conjuntivo poco especializado que encapsula al implante. Este está formado fundamentalmente por colágeno y polisacáridos. 3. Si todo va bien, este tejido conjuntivo da paso a la creación de tejido funcional (por células específicas de cada tejido). Este es nuestro objetivo final en la ingeniería de tejidos → combinar las células con los fármacos y el material para llegar a este estado final de regeneración de tejido funcional. Es necesario que primero haya creación de tejido conjuntivo → se crea un tejido poco estructurado rápidamente (conjuntivo), y posteriormente, con más tiempo, se va sustituyendo con tejido funcional. RESUMEN. Si un tejido no supera la etapa de inflamación, el material es nocivo. Si lo supera y crea tejido conjuntivo, pero este no se sustituye por tejido funcional, el material es biotolerante. En caso de que sí se sustituya por tejido funcional, tenemos materiales bioinertes y bioactivos.

PARADIGMA DE LA BIOCOMPATIBILIDAD El paradigma de la biocompatibilidad hace referencia a que la respuesta del organismo hacia un biomaterial está mediada por las moléculas que se adsorben a su superficie. Se resume en dos etapas: -

Adsorción. Cuando se introduce el material en el organismo, hay una serie de moléculas que se adsorben a su superficie (proteínas, principalmente). Reconocimiento y respuesta. Determinados linajes celulares reconocen estas biomoléculas y, en función de lo que reconozcan sobre la superficie del material, reaccionan de una manera u otra → estos linajes determinan la respuesta del organismo.

Estudio: comparación de biomateriales → hidroxiapatita (HA) vs bioglass (BG) Ambos son biocompatibles, pero ¿cuál de los dos es más favorable para la regeneración de hueso? 1. Análisis del número de células que aparecían sobre cada material, normalizando al área del material. En la gráfica vemos ng de DNA (proporcional al número de células) frente a días de cultivo.

Tema 2. Interfaz material – sistema biológico: biocompatibilidad Hay dos procesos competitivos: la proliferación y la diferenciación. Un sistema que prolifera mucho presenta poca diferenciación, y viceversa (mucha diferenciación implica menor proliferación)...