Células, Andamios y Biofactores: De la Ingeniería de Tejidos Funcional a la Traslacional

Los enfoques de medicina regenerativa basados en la ingeniería de células y andamios de biomateriales en tejidos «de repuesto» prometen dar forma al futuro de la cirugía reconstructiva y el trasplante de órganos. Hasta la fecha, el uso de tejidos funcionales de ingeniería en crecimiento in vitro para su posterior implantación en defectos tisulares in vivo sigue siendo experimental, a pesar de algunos éxitos clínicos tempranos . En este enfoque, las combinaciones de células y moléculas bioactivas se siembran en andamios tridimensionales de biomateriales

Las células se pueden recuperar de una variedad de fuentes, incluidas las células madre embrionarias, las células madre/progenitoras postnatales y adultas, o las células madre pluripotentes inducidas (iPS) descubiertas más recientemente. El enfoque común en la regeneración de tejidos por ingeniería ha sido aislar células de biopsias o aspirados de tejidos, manipularlas y reintroducirlas en el huésped . Para la regeneración ósea, se han investigado múltiples fuentes celulares, incluidos aspirados frescos de médula ósea ; células madre / progenitoras mesenquimatosas purificadas, expandidas por cultivo, osteoblastos y células que han sido modificadas genéticamente para expresar factores osteogénicos como rhBMP , células sanguíneas del cordón umbilical , células madre/progenitoras derivadas de tejido adiposo o células madre embrionarias . Recientemente se han revisado las ventajas y desventajas percibidas de estas fuentes celulares en la ingeniería de tejidos óseos .

Uno de los desafíos fundamentales del trasplante celular es el costo y la complejidad asociados con el desarrollo de estrategias experimentales en productos aprobados por la normativa. El procesamiento celular intraoperatorio, aunque inmune a la aprobación regulatoria, solo puede servir como un servicio de punto de atención para un paciente a la vez. Una vez que las células se manipulan fuera del sitio, se requiere automáticamente la aprobación reglamentaria. El trasplante de células ha encontrado una serie de barreras para la traducción clínica, incluido el posible rechazo inmunitario de células no autólogas, la transmisión de patógenos, la posible génesis tumoral, los costos asociados con el embalaje, el almacenamiento y el envío, la vida útil y la renuencia de los médicos y los seguros en la adopción clínica . La supervivencia celular en el huésped también es un problema sin resolver, independientemente de la fuente celular, y existe un debate sobre si las células trasplantadas son regenerativas per se o simplemente actúan como una fuente pleiotrópica de factores y señales, especialmente en su capacidad para regular la inflamación . Estas barreras seguirán siendo desafíos para la implementación del hueso de ingeniería como tratamiento clínico en un futuro previsible. Un paradigma alternativo es activar células madre endógenas para participar en la regeneración ósea. Un ejemplo son las células progenitoras periósticas, que se activan por lesión y desempeñan un papel indispensable en la reparación de fracturas . Queda por demostrar si la simple movilización y el envío de células madre endógenas al sitio del defecto bastarán para la regeneración y tendrán ventajas sobre el trasplante de células exógenas.

El ensamblaje de las células en la forma tridimensional (3D) requerida del defecto óseo requiere un biomaterial de andamiaje que libera y retiene las células, y potencialmente estimula y guía su inducción de regeneración de tejidos. Los requisitos mínimos de los andamios de biomateriales, además del mantenimiento de la Forma (forma y tamaño 3D), incluyen la Fijación (fijación de la unión al hueso huésped y minimización del micro-movimiento), la Función (establecimiento de una carga mecánica temporal o permanente) y la Formación (provisión de porosidad adecuada para el transporte de masas, revascularización, osteoinducción y osteoconducción) . También deben cumplirse características adicionales de biocompatibilidad en los andamios de biomateriales, incluida la falta de inmunogenicidad y toxicidad. Además, los andamios se pueden mejorar mediante la funcionalización de la superficie para provocar afinidad a la unión celular y modulación interactiva de la respuesta de las células, y se pueden diseñar para la entrega localizada y controlada de varias moléculas bioactivas.

Los andamios pueden derivar de tejidos nativos y polímeros biológicos y / o polímeros sintéticos, y pueden fabricarse utilizando una variedad de técnicas convencionales (revisadas en ). Entre estas técnicas, la fabricación de forma libre sólida (SFF) ofrece ventajas distintivas al permitir un control exquisito de la forma del andamio y la arquitectura interna basada en el modelado 3D guiado por imágenes médicas del defecto óseo . Recientemente, la bioimpresión 3D ha sido posible gracias a la disponibilidad comercial de sistemas de impresión 3D multiinyector de alta resolución y baja temperatura, que se desarrollaron originalmente para aplicaciones de creación rápida de prototipos. Esta tecnología se ha adaptado con éxito para la ingeniería de tejidos óseos con polvo de fosfato de calcio biocompatible y osteoinductivo y sistema aglutinante biocompatible para impresión 3D guiada por TC de armazones específicos para pacientes . Las capacidades de múltiples inyectores de una impresora 3D a color permiten potencialmente la incorporación de combinaciones de biofactores y moléculas dentro del andamio con control espacial, lo que puede ser atractivo en escenarios que podrían requerir control espacio-temporal sobre la cinética de liberación. Sin embargo, una revisión reciente de andamios para ingeniería de tejidos óseos ha pintado un panorama sombrío para el progreso traslacional del campo , que sigue plagado de desafíos técnicos de diseño, fabricación y funcionalización de andamios, barreras de aprobación regulatorias, desafíos comerciales relacionados con la identificación de nichos de mercado y la generación de grandes inversiones iniciales necesarias para sostener el negocio a través del prolongado proceso regulatorio, y problemas del ciclo de vida de la propiedad intelectual (PI) que deben proteger el producto invertir y hacer que estos productos sean comercialmente viables.

La administración de biofactores y moléculas puede alterar la señalización celular en el entorno defectuoso y se ha demostrado que influye en el resultado de la regeneración. Un paradigma popular en la ingeniería de tejidos sugiere que la reactivación de los factores de desarrollo y la señalización podrían ser necesarias para la verdadera regeneración del tejido adulto perdido . Sin embargo, no está claro si los complejos gradientes y cascadas de señalización del desarrollo necesitan o pueden replicarse fielmente en la reparación de tejidos postnatales. En cualquier caso, nuestra comprensión de la biología del desarrollo del sistema musculoesquelético, y más específicamente de la formación ósea endocondral e intramembranosa en el embrión, nos proporciona una gran cantidad de información sobre factores que, cuando se aplican individualmente, pueden mejorar la regeneración ósea. Este último enfoque, más simple, es preferible para la traducción terapéutica.

Un ejemplo de ello ha sido el descubrimiento de proteínas morfogenéticas óseas (BMP), que fueron descubiertas por Marshall Urist y promocionadas por sus propiedades osteoinductoras . Los estudios de ciencia básica que utilizan ratones transgénicos en los que las BMP individuales han sido eliminadas selectivamente del esqueleto de la extremidad han identificado la BMP-2 como un factor crítico en la capacidad regenerativa innata del hueso . La combinación de BMP-2 humano recombinante en un portador de esponja de colágeno absorbible (SCA) ha sido uno de los sistemas más estudiados en investigaciones preclínicas y clínicas, y representa uno de los descubrimientos ortopédicos terapéuticos más importantes . Con datos de ensayos clínicos de nivel 1 de apoyo, rhBMP-2 / ACS (Injerto óseo INFUSE®) está disponible comercialmente, en el momento de escribir este artículo, para tres indicaciones clínicas aprobadas por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA), que incluyen fusión espinal, fracturas tibiales abiertas con fijación de uñas intermedulares (MI), aumento oral y maxilofacial (aumentos de senos nasales y aumentos de crestas alveolares para defectos asociados con cavidades de extracción) . Sin embargo, la eficacia de los injertos óseos en INFUSIÓN requiere concentraciones suprafisiológicas de BMP-2, y se han presentado numerosos eventos adversos a la FDA y se han reportado en la literatura en indicaciones aprobadas y usos no autorizados . Por lo tanto, la identificación de dosis efectivas de BMP-2 (y tal vez otros factores osteogénicos y vasculogénicos) para la regeneración de defectos óseos críticos, preferiblemente con efectos secundarios tolerables y subclínicos, sigue siendo un desafío común para la comunidad de regeneración de tejidos.

Una perspectiva interesante ha sido el descubrimiento del valor terapéutico de hormonas sistémicas como la hormona paratiroidea (PTH) en la reparación de fracturas y la ingeniería tisular de defectos diafisarios críticos en modelos preclínicos . Este enfoque de parto sistémico podría superar los desafíos asociados con el parto local, pero aún no se ha validado clínicamente.

En suma, cada uno de los componentes individuales de la tríada convencional de ingeniería de tejidos (células, andamios y biofactores) presenta conjuntos únicos de desafíos. La optimización de estas construcciones compuestas en sustitutos funcionales de tejidos se realiza normalmente empíricamente en el laboratorio ex vivo utilizando modelos de cultivo de células y tejidos e in vivo utilizando modelos preclínicos animales. Sin embargo, este enfoque se ha enfrentado a difíciles barreras para la traducción del banco a la cabecera de la cama. Un producto médico de tres componentes tendría al menos 3 ni combinaciones posibles de variables independientes (donde ni es el número de posibles variables asociadas con el i-ésimo componente del producto de tres componentes), lo que hace imposible la viabilidad de probar la matriz experimental en una investigación exhaustiva. Esto ha limitado los avances en el campo a solo descubrimientos incrementales, a pesar de los desarrollos emocionantes y las tecnologías innovadoras que se han reportado en modelos preclínicos y de animales pequeños. Los requisitos reglamentarios de los productos de regeneración ósea multicomponentes han obstaculizado y siguen ralentizando la traducción clínica. Sin embargo, en la literatura clínica se han descrito enfoques regenerativos innovadores de «punto de atención» guiados por el paradigma de la ingeniería de tejidos, con notables éxitos iniciales.