La capacidad del cuerpo humano para regenerar tejidos y órganos es extremadamente ineficiente, y la pérdida de tejidos y órganos humanos puede ocurrir fácilmente debido a cosas como defectos congénitos, enfermedades y traumas repentinos. Cuando el tejido muere (lo que se denomina necrosis), no puede volver a la vida; si no se extrae o repara, puede afectar otras áreas del cuerpo, como el tejido circundante, los órganos, los huesos y la piel.
Aquí es donde la ingeniería de tejidos resulta útil. Mediante el uso de biomaterial (materia que interactúa con los sistemas biológicos del cuerpo, como células y moléculas activas), se pueden crear tejidos funcionales para ayudar a restaurar, reparar o reemplazar tejidos y órganos humanos dañados.
Imágenes de Cavan / Getty ImagesUna breve historia
La ingeniería de tejidos es un campo de la medicina relativamente nuevo, y la investigación solo comenzó en la década de 1980. Un bioingeniero y científico estadounidense llamado Yuan-Cheng Fung presentó una propuesta a la National Science Foundation (NSF) para un centro de investigación dedicado a los tejidos vivos. Fung tomó el concepto de tejido humano y lo expandió para aplicarlo a cualquier organismo vivo entre células y órganos.
Con base en esta propuesta, la NSF etiquetó el término “ingeniería de tejidos” en un esfuerzo por formar un nuevo campo de investigación científica. Esto condujo a la formación de The Tissue Engineering Society (TES), que más tarde se convirtió en la Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS).
TERMIS promueve tanto la educación como la investigación en el campo de la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa. La medicina regenerativa se refiere a un campo más amplio que se centra tanto en la ingeniería de tejidos como en la capacidad del cuerpo humano para curarse a sí mismo para restaurar la función normal de los tejidos, órganos y células humanas.
Propósito de la ingeniería de tejidos
La ingeniería de tejidos tiene algunas funciones principales en la medicina y la investigación: ayudar con la reparación de tejidos u órganos, incluida la reparación de huesos (tejido calcificado), tejido de cartílago, tejido cardíaco, tejido de páncreas y tejido vascular. El campo también realiza investigaciones sobre el comportamiento de las células madre. Las células madre pueden convertirse en muchos tipos diferentes de células y pueden ayudar a reparar áreas del cuerpo.
El campo de la ingeniería de tejidos permite a los investigadores crear modelos para estudiar diversas enfermedades, como el cáncer y las enfermedades cardíacas.
La naturaleza 3D de la ingeniería de tejidos permite estudiar la arquitectura tumoral en un entorno más preciso. La ingeniería de tejidos también proporciona un entorno para probar posibles nuevos medicamentos contra estas enfermedades.
Cómo funciona
El proceso de ingeniería de tejidos es complicado. Implica formar un tejido funcional 3D para ayudar a reparar, reemplazar y regenerar un tejido u órgano en el cuerpo. Para hacer esto, las células y biomoléculas se combinan con andamios.
Los andamios son estructuras artificiales o naturales que imitan órganos reales (como el riñón o el hígado). El tejido crece en estos andamios para imitar el proceso biológico o la estructura que necesita ser reemplazada. Cuando estos se construyen juntos, el tejido nuevo se diseña para replicar el estado del tejido antiguo cuando no estaba dañado o enfermo.
Andamios, células y biomoléculas
Los andamios, que normalmente son creados por células en el cuerpo, se pueden construir a partir de fuentes como proteínas en el cuerpo, plásticos artificiales o de un andamio existente, como uno de un órgano de un donante. En el caso de un órgano de un donante, el andamio se combinaría con células del paciente para crear órganos o tejidos personalizables que probablemente sean rechazados por el sistema inmunológico del paciente.
Independientemente de cómo se forme, es esta estructura de andamio la que envía mensajes a las células que ayudan a respaldar y optimizar las funciones celulares en el cuerpo.
Elegir las células adecuadas es una parte importante de la ingeniería de tejidos. Hay dos tipos principales de células madre.
Dos tipos principales de células madre
- Células madre embrionarias: se originan a partir de embriones, generalmente en óvulos que han sido fertilizados in vitro (fuera del cuerpo).
- Células madre adultas: se encuentran dentro del cuerpo entre las células normales; pueden multiplicarse por división celular para reponer las células y los tejidos moribundos.
Actualmente, también se están realizando muchas investigaciones sobre células madre pluripotentes (células madre adultas que se inducen a comportarse como células madre embrionarias). En teoría, existe un suministro ilimitado de células madre pluripotentes, y su uso no implica el problema de la destrucción de embriones humanos (lo que también causa un problema ético). De hecho, los investigadores ganadores del Premio Nobel publicaron sus hallazgos sobre las células madre pluripotentes y sus usos.
En general, las biomoléculas incluyen cuatro clases principales (aunque también hay clases secundarias): carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. Estas biomoléculas ayudan a formar la estructura y función celular. Los carbohidratos ayudan a que los órganos como el cerebro y el corazón funcionen, así como los sistemas que funcionan como los sistemas digestivo e inmunológico.
Las proteínas proporcionan anticuerpos contra los gérmenes, así como soporte estructural y movimiento corporal. Los ácidos nucleicos contienen ADN y ARN, lo que proporciona información genética a las células.
Uso medico
La ingeniería de tejidos no se utiliza mucho para la atención o el tratamiento de los pacientes. Ha habido algunos casos en los que se ha utilizado la ingeniería de tejidos en injertos de piel, reparación de cartílago, arterias pequeñas y vejigas en pacientes. Sin embargo, los órganos más grandes creados por ingeniería de tejidos, como el corazón, los pulmones y el hígado, aún no se han utilizado en pacientes (aunque se han creado en laboratorios).
Aparte del factor de riesgo de usar ingeniería de tejidos en pacientes, los procedimientos son extremadamente costosos. Aunque la ingeniería de tejidos es útil cuando se trata de investigación médica, particularmente cuando se prueban nuevas formulaciones de medicamentos.
El uso de tejido vivo y funcional en un entorno fuera del cuerpo ayuda a los investigadores a obtener avances en la medicina personalizada.
La medicina personalizada ayuda a determinar si algunos medicamentos funcionan mejor para ciertos pacientes en función de su composición genética, y también reduce los costos de desarrollo y pruebas en animales.
Ejemplos de ingeniería de tejidos
Un ejemplo reciente de ingeniería de tejidos realizado por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas incluye la ingeniería de un tejido hepático humano que luego se implanta en un ratón. Dado que el ratón usa su propio hígado, el tejido del hígado humano metaboliza los medicamentos, imitando cómo los humanos responderían a ciertos medicamentos dentro del ratón. Esto ayuda a los investigadores a ver qué posibles interacciones medicamentosas pueden existir con un determinado medicamento.
En un esfuerzo por diseñar tejido con una red incorporada, los investigadores están probando una impresora que haría una red de tipo vascular a partir de una solución de azúcar. La solución se formaría y endurecería en el tejido diseñado hasta que se agregue sangre al proceso, viajando a través de los canales artificiales.
Finalmente, la regeneración de los riñones de un paciente utilizando las propias células del paciente es otro proyecto del Instituto. Los investigadores utilizaron células de órganos de donantes para combinarlas con biomoléculas y un andamio de colágeno (del órgano del donante) para hacer crecer nuevo tejido renal.
Luego, se evaluó el funcionamiento de este tejido de órganos (como la absorción de nutrientes y la producción de orina) tanto en el exterior como en el interior de las ratas. El progreso en esta área de la ingeniería de tejidos (que también puede funcionar de manera similar para órganos como el corazón, el hígado y los pulmones) podría ayudar con la escasez de donantes y reducir las enfermedades asociadas con la inmunosupresión en pacientes con trasplante de órganos.
Cómo se relaciona con el cáncer
El crecimiento de tumores metastásicos es una de las razones por las que el cáncer es una de las principales causas de muerte. Antes de la ingeniería de tejidos, los entornos tumorales solo podían crearse fuera del cuerpo en forma 2D. Ahora, los entornos 3D, así como el desarrollo y la utilización de ciertos biomateriales (como el colágeno), permiten a los investigadores observar el entorno de un tumor hasta el microambiente de ciertas células para ver qué sucede con la enfermedad cuando se alteran ciertas composiciones químicas en las células. .
De esta manera, la ingeniería de tejidos ayuda a los investigadores a comprender tanto la progresión del cáncer como los efectos de ciertos enfoques terapéuticos en pacientes con el mismo tipo de cáncer.
Si bien se han realizado avances en el estudio del cáncer mediante la ingeniería de tejidos, el crecimiento de tumores a menudo puede causar la formación de nuevos vasos sanguíneos. Esto significa que incluso con los avances que la ingeniería de tejidos ha logrado con la investigación del cáncer, puede haber limitaciones que solo pueden eliminarse mediante la implantación del tejido diseñado en un organismo vivo.
Sin embargo, en el caso del cáncer, la ingeniería de tejidos puede ayudar a establecer cómo se forman estos tumores, cómo deberían verse las interacciones celulares normales y cómo crecen y metastatizan las células cancerosas. Esto ayuda a los investigadores a probar medicamentos que solo afectarán a las células cancerosas, a diferencia de todo el órgano o cuerpo.
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