Resumen

Los problemas relacionados con la cicatrización de heridas han despertado un profundo interés científico, así como mercados financieros en auge que han invertido en nuevas terapias para heridas. Se ha avanzado mucho sobre el terreno, pero no es de extrañar que los éxitos recientes revelen nuevos desafíos a los que hay que hacer frente. Con respecto a la cicatrización de heridas, los grandes déficits de tejido, las heridas recalcitrantes y la formación de cicatrices patológicas siguen siendo solo algunos de nuestros desafíos más apremiantes. Las terapias basadas en células madre han sido anunciadas como un medio prometedor para superar las limitaciones actuales en el manejo de heridas. El amplio potencial de diferenciación de las células madre permite la posibilidad de restaurar el tejido perdido o dañado, mientras que su capacidad para inmunomodular el lecho de la herida desde lejos sugiere que sus aplicaciones clínicas no necesitan restringirse a la formación directa de tejido. La utilidad clínica de las células madre se ha demostrado en docenas de ensayos clínicos en terapia de heridas crónicas, pero hay esperanza de que otros aspectos del cuidado de heridas hereden beneficios similares. La investigación científica sobre la terapia de heridas basada en células madre abunda en los laboratorios de investigación de todo el mundo. Si bien sus aplicaciones clínicas permanecen en su infancia, la gran inversión en su potencial lo convierte en un tema que vale la pena revisar para los cirujanos plásticos, en términos de sus aplicaciones actuales y futuras.

1. Introducción

La cicatrización de heridas es un proceso complejo que involucra varios mecanismos fisiológicos coordinados en una respuesta efectiva a la lesión tisular. Este proceso consiste en varias fases distintas, pero superpuestas-hemostasia e inflamación, proliferación y maduración—que resultan en la formación de cicatrices en circunstancias normales . La reparación normal de heridas existe a lo largo de un espectro de resultados que resultan de una lesión tisular. Estos van desde la cicatrización deficiente patológica (es decir, heridas crónicas que no curan) hasta la cicatrización excesiva patológica (es decir, cicatrices hipertróficas y queloides), con cicatrización fisiológica, incluida la formación de cicatrices, en algún punto intermedio. El interés en la investigación de la curación de heridas continúa creciendo, con mucho enfoque ahora dirigido a las terapias con células madre para superar las limitaciones en nuestras prácticas actuales de manejo de heridas. Hasta la fecha, 45 estudios clínicos publicados y otros 33 ensayos con resultados aún no publicados han explorado el potencial de las células madre para abordar la curación deficiente patológica (datos no publicados). Por lo tanto, la investigación actual sugiere que nos estamos acercando a un punto de inflexión en la proliferación de terapias basadas en células madre y el uso de estas terapias para tratar enfermedades. Como tal, una comprensión básica de la cicatrización de heridas y los recientes avances en terapias con células madre son temas importantes para los cirujanos plásticos. En este documento, discutimos la necesidad insatisfecha que se pretende abordar con las terapias de células madre, así como sus usos actuales en la curación de heridas.

2. Importancia de la cicatrización de heridas

La mayoría de los tejidos del cuerpo son capaces de sufrir reparación de heridas después de una interrupción de la integridad del tejido . El cuidado de heridas es un componente importante de la práctica quirúrgica tanto de forma aguda (p. ej., traumatismos, quemaduras y cirugía) como crónica (p. ej. úlceras por presión, úlceras venosas y úlceras diabéticas). Al curarse, estas heridas dan lugar a la formación de cicatrices. Decenas de miles de millones de dólares se dedican al cuidado de heridas cada año . Las heridas crónicas son especialmente costosas, ya que a menudo requieren un seguimiento prolongado con intervenciones repetidas y no son infrecuentes resistentes a la terapia; se estima que el 1% de la población en un momento dado sufre de alguna forma de herida crónica .

La formación de cicatrices patológicas, incluidas las cicatrices hipertróficas y los queloides, es otra preocupación en el manejo de heridas. Estas condiciones pueden ser particularmente problemáticas dada la posibilidad de pérdida funcional permanente, así como el estigma social . Las cicatrices hipertróficas suelen ser el resultado de lesiones traumáticas o quemaduras, pero la cirugía es otra causa potencial. En un año dado, 1 millón de quemaduras y 2 millones de pacientes heridos en accidentes automovilísticos que requieren tratamiento, además de los millones de otros que se someten a cirugía invasiva, demuestran la naturaleza apremiante de este problema .

3. Fisiología Normal de cicatrización de Heridas

Como se indicó anteriormente, la cicatrización de heridas se compone de tres etapas superpuestas: (1) fase inflamatoria, (2) fase de proliferación y (3) fase de maduración. Es importante comprender los mecanismos fisiológicos de la cicatrización de heridas para apreciar plenamente las anomalías subyacentes a los diversos trastornos de cicatrización de heridas con el fin de proporcionar un tratamiento adecuado. Aquí resumiremos brevemente los mecanismos fisiológicos básicos de la curación de heridas. Para discusiones más profundas de estos procesos más allá del alcance de este artículo, particularmente en términos de la respuesta inflamatoria, el lector se dirige a las revisiones de Gurtner et al. y Eming et al. .

La lesión tisular inicia la respuesta de cicatrización de la herida, comenzando con la hemostasia de la herida como parte de la fase inflamatoria. Aunque el flujo sanguíneo está restringido en el lecho de la herida, el tejido adyacente está sujeto a una mayor perfusión. Los mediadores inflamatorios se producen en concierto con la cascada de coagulación, generando un gradiente de concentración local. Esto promueve la formación de la matriz de fibrina y la quimiotaxis de neutrófilos. Una vez establecida la matriz, entran neutrófilos para eliminar el tejido muerto e intentar controlar cualquier posible infección a través de la respuesta inmune innata. Estas células migratorias amplifican aún más la respuesta inflamatoria, liberando citoquinas proinflamatorias, contribuyendo a la hinchazón y el eritema que a menudo se observan en las etapas iniciales de la cicatrización de heridas. Esta fase suele durar 4 días .

En la fase de proliferación subsiguiente, las células inflamatorias liberan varias citocinas y otras moléculas de señalización para reclutar fibroblastos y células endoteliales vasculares en el sitio de la lesión. Los fibroblastos producen colágeno, que comienza a reemplazar la matriz de fibrina provisional, aumentando la resistencia mecánica de la herida. Una parte de estos fibroblastos también se diferencia en miofibroblastos, que contribuyen a la contracción mecánica de la herida. Las células endoteliales migratorias contribuyen a la revascularización del lecho de la herida a través de la angiogénesis, ayudando a apoyar el tejido de granulación en desarrollo. Los queratinocitos también migran al borde de la herida, donde experimentan proliferación . Cabe destacar que la destrucción de los folículos pilosos en heridas más grandes se correlaciona con una reepitelización más lenta secundaria a la pérdida del nicho de células madre epidérmicas, lo que potencialmente requiere la colocación de injertos de piel para lograr un cierre completo .

Es durante la fase de maduración final que la herida sufre reepitelización. La formación de cicatrices permite que el tejido curado recupere parte, pero no toda, su resistencia a la tracción original. Sin embargo, la elasticidad del tejido se reduce drásticamente como consecuencia de la fibrosis extensa. A medida que la intensidad de la respuesta de curación disminuye en sus etapas finales, la mayoría de las células endoteliales, macrófagos y miofibroblastos localizados en el lecho de la herida experimentan apoptosis. La cicatriz restante continuará siendo remodelada en los meses o años siguientes .

4. Objetivos para Nuevas Terapias Basadas en Células

En los Estados Unidos, se estima que los costos del tratamiento de heridas crónicas por sí solos superan los 25 mil millones de dólares al año . Además, estas terapias a menudo son de apoyo con resultados clínicos subóptimos, marcando las heridas crónicas como objetivos importantes para las terapias nuevas. Mientras que la cicatrización normal de heridas provoca la formación de cicatrices benignas, los procesos de cicatrización de heridas deteriorados pueden provocar la formación de cicatrices estéticamente desagradables o incluso una herida crónica que no cicatriza. Los factores que se entiende que perturban la curación fisiológica incluyen el envejecimiento, el estilo de vida sedentario (caracterizado por poca o ninguna actividad física), el estado psicológico y el tabaquismo . Los estados de enfermedades crónicas comparten muchos de los factores de riesgo modificables asociados con la mala cicatrización de heridas y son en sí mismos impedimentos para el proceso de curación fisiológica. Por ejemplo, la diabetes está estrechamente relacionada con la formación de heridas crónicas en forma de úlceras diabéticas no curativas . La diabetes no controlada afecta la migración de neutrófilos y macrófagos al lecho de la herida. El retraso resultante de la cicatrización de heridas predispone a los pacientes a desarrollar úlceras en el pie diabético, que a su vez pueden infectarse y requerir desbridamiento quirúrgico o amputación. Una mejor comprensión de la fisiopatología crónica de heridas puede ayudar a identificar las posibles funciones de las terapias basadas en células madre en heridas que no curan . En última instancia, el objetivo es crear terapias rentables que puedan mejorar significativamente la calidad de vida de los pacientes que padecen estas afecciones. Las células madre ofrecen un medio prometedor para este fin con el potencial de curar heridas recalcitrantes y prevenir costosas secuelas de defectos tisulares prolongados .

En el extremo opuesto del espectro de cicatrización de heridas existe un exceso patológico, subdividido en cicatrización hipertrófica y formación de queloides. La cicatrización hipertrófica se atribuye a la proliferación desregulada de células inflamatorias y fibroblastos durante el proceso de cicatrización de la herida, contribuyendo aún más a una estructura de matriz altamente desorganizada que es característica de las cicatrices . La cicatrización hipertrófica actualmente no tiene cura conocida; los tratamientos disponibles son inadecuados para frenar la formación de cicatrices o disminuir el defecto estético resultante. La inflamación excesiva es una característica tanto de la formación de cicatrices hipertróficas como de los lechos de heridas crónicas, los últimos de los cuales se han manejado con éxito a través de la inmunomodulación de células madre . Por lo tanto, las células madre pueden ofrecer un medio para abordar la cicatrización patológica .

La formación de queloides es un ejemplo más extremo de formación de cicatrices patológicas. A menudo consideradas como cicatrices separadas de las hipertróficas en términos de su fisiopatología, el análisis histológico ha sugerido que los queloides pueden, de hecho, simplemente estar más a lo largo del espectro patológico . Los queloides se producen únicamente en humanos después de una lesión tisular, que no es infrecuente como resultado de incisiones quirúrgicas . Tanto la cicatrización hipertrófica como la formación de queloides implican niveles anormalmente altos de formación de cicatrices. Sin embargo, las cicatrices hipertróficas permanecen confinadas dentro de los márgenes de la herida, mientras que los queloides invaden más allá de ellos en el tejido normal circundante. Mientras que las cicatrices hipertróficas retroceden característicamente con el tiempo, los queloides pueden crecer durante años y casi nunca retroceden espontáneamente, lo que conduce a resultados cosméticos más devastadores . De hecho, la cantidad de tejido cicatricial formado no se correlaciona con la gravedad de la herida inicial, por lo que incluso las heridas pequeñas pueden tener consecuencias estéticas sustanciales. Aunque se han intentado varios tipos de tratamientos para controlar la cicatrización queloide, ninguno ha arrojado resultados significativos . Sin embargo, estudios experimentales han demostrado la capacidad de las células madre para inhibir el crecimiento queloide, abriendo nuevas vías para su tratamiento . Desafortunadamente, estos hallazgos no son universales y se necesitan más estudios en términos de aplicaciones de células madre para el manejo de queloides .

5. Enfoques tradicionales para la cicatrización de heridas

En los casos en que los defectos del tejido requieren la colocación de un injerto de piel, los cirujanos pueden utilizar idealmente tejido autólogo, sin necesidad de inmunosupresión. Sin embargo, la cosecha de autoinjerto no es posible en todos los casos, por ejemplo, debido a la insuficiencia de tejido para la cosecha. En escenarios que impiden el injerto de tejido autólogo, los cirujanos pueden utilizar tejido cadavérico, denominado aloinjertos o xenoinjertos porcinos. Estas son meras medidas temporizadoras para proporcionar factores de crecimiento para la cicatrización de heridas, ya que la respuesta inmune del huésped causa rechazo del trasplante en las semanas posteriores a la implantación .

La disponibilidad de tejidos y la inmunogenicidad del injerto son problemas comunes en todas las áreas de la medicina para trasplantes. El injerto de piel no es una excepción, estimulando el desarrollo de sustitutos de la piel con ingeniería tisular. El primero de estos sustitutos se conocía como productos basados en matrices, que se siguen utilizando hoy en día. Estas matrices se implantan en el lecho de la herida, donde funcionan como plantillas para la revascularización y la regeneración dérmica. Sin embargo, la cicatrización completa de la herida todavía a menudo requiere una cubierta epidérmica de la neodermis mediante injerto de piel o colgajo, aunque algunos pequeños defectos se pueden dejar para sanar por intención secundaria . Los desarrollos más recientes en ingeniería de tejidos han llevado a la aplicación de terapias basadas en células. A diferencia de las áreas de recolección de tejido dérmico, los queratinocitos ahora se pueden recolectar de los pacientes. La expansión ex vivo posterior permite la producción de un injerto epidérmico autólogo. Sin embargo, el producto es muy delgado, frágil y relativamente caro de producir .

Está claro que ha habido múltiples intentos de aumentar la efectividad de las técnicas de curación de heridas, así como de crear injertos más eficientes y confiables. Desafortunadamente, incluso los sustitutos de la piel más avanzados demuestran limitaciones; son muy caros, no siempre son efectivos y no pueden reconstituir completamente los apéndices de la piel. Por lo tanto, es necesario un enfoque diferente de la curación de heridas para superar las barreras actuales en la terapia de heridas y crear soluciones más pragmáticas y efectivas para los problemas relacionados con las heridas . La naturaleza pluripotente de las células madre sugiere que pueden proporcionar un medio para superar al menos algunas de las barreras antes mencionadas para el manejo óptimo de las heridas.

6. Células madre y Cicatrización de heridas

Para que las células se clasifiquen como células madre, deben cumplir dos criterios: deben tener una capacidad prolongada de auto-renovación y deben ser capaces de emplear la división asimétrica para diferenciarse en tipos celulares más especializados . Estas características dotan a este tipo de células de un conjunto de habilidades únicas que podrían aprovecharse para ayudar en el proceso de regeneración y reparación de la piel dañada. Los estudios que utilizan modelos de lesión tisular han demostrado que la lesión grave ha resultado en un aumento dramático en el número de células madre que circulan en la sangre . Además, se encontró que las células derivadas de la médula ósea circulantes se localizaban en el sitio de la herida, donde también se diferenciaban en estructuras cutáneas no hematopoyéticas . Otros hallazgos similares también sugieren que las células madre desempeñan un papel muy importante en el proceso de curación de heridas, y se necesitan más estudios para comprender mejor los mecanismos subyacentes. Esta sección profundizará en los hallazgos notables en las aplicaciones de curación de heridas de varias poblaciones de células madre (Figura 1), como las células madre mesenquimales (CMM) (incluidas las células madre derivadas de tejido adiposo (ASCs)), las células madre pluripotentes inducidas (CPI) y las células madre embrionarias (ESC).

La mayoría de los estudios sobre posibles terapias de cicatrización de heridas relacionadas con células madre se han centrado en células madre adultas, específicamente células madre mesenquimales (CMM). Las MSC son capaces de renovarse por sí mismas y han demostrado ser muy prometedoras para tratar el daño tisular que involucra respuestas inmunitarias . Las MSC se pueden extraer de la médula ósea, el tejido adiposo, la sangre del cordón umbilical y la dermis de un paciente . Las CMM autólogas no solo renuncian a los riesgos de rechazo del trasplante, sino que también se entiende que inhiben la respuesta inflamatoria en el lecho de la herida, que de otro modo puede afectar la regeneración efectiva de los tejidos . Además, se ha demostrado que las MSC derivadas de la médula ósea (MSC-BM) sintetizan cantidades más altas de colágeno, factores de crecimiento y factores angiogénicos que los fibroblastos dérmicos nativos, lo que sugiere que podrían implantarse en heridas para aumentar la tasa de curación sin provocar ninguna respuesta inmunitaria. Un estudio de caso también demostró el cierre de una úlcera de pie diabético recalcitrante tratada con una combinación de MSCS-BM directas al lecho de la herida cubierto con un bioinjerto compuesto de fibroblastos cutáneos autólogos en una membrana de colágeno . La infección también a menudo complica el manejo de heridas crónicas, presentando un problema adicional para abordar en el tratamiento. Otro mecanismo por el cual las MSC pueden aumentar la respuesta de cicatrización de heridas es a través de la secreción de péptidos antimicrobianos . Al abordar numerosos aspectos de la curación de heridas, las células madre ofrecen un tratamiento versátil para heridas que no han respondido a la atención estándar.

Aunque las CMM han demostrado una capacidad constante para aumentar la tasa de cicatrización de heridas en una variedad de escenarios, todavía hay algunos inconvenientes en estas terapias. Por ejemplo, las MSC son un enfoque práctico para heridas pequeñas, pero es inviable cultivar suficientes MSC para aplicarlas a una herida grande. Además, la población de CMM en los seres humanos disminuye con el tiempo, lo que posiblemente elimina la opción de usar CMM autólogas para el tratamiento en las generaciones mayores . Mientras que se ha observado que las MSC contribuyen directamente a la cicatrización de heridas a través de la transdiferenciación en queratinocitos , generalmente se cree que los mecanismos paracrinos desempeñan un papel mucho más importante . Por lo tanto, es posible que se requieran menos células para la eficacia clínica, eludiendo las limitaciones potenciales de las terapias para heridas basadas en células madre y manteniéndolas como modalidades emocionantes para mejorar la cicatrización de heridas.

Mientras que la manipulación quirúrgica y la recolección de tejido adiposo son generalmente procedimientos simples, el tejido en sí es complejo. El tejido adiposo se compone de una gran cantidad de células que incluyen adipocitos, células musculares lisas, fibroblastos, macrófagos, células endoteliales y linfocitos, así como células madre derivadas de tejido adiposo (ASCs). Las ASCs son una clase de MSC, células pluripotentes capaces de diferenciarse en hueso, cartílago, tendón y grasa, siempre que se cultiven en las condiciones necesarias. Comparten un potencial casi igual al de las células madre mesodérmicas para diferenciarse en células de origen mesodérmico, pero son preferidas debido a su amplia disponibilidad y relativa facilidad para cosechar un número suficiente de células . Se ha demostrado que las ASCs promueven la proliferación de fibroblastos dérmicos humanos en el sitio de la herida mediante la secreción de factores paracrinos, que en última instancia aumentan la tasa de cicatrización de heridas . Otro estudio mostró que las ASCs, en condiciones hipóxicas debido a la inflamación, aumentan significativamente los niveles de síntesis de colágeno y ayudan a reducir el área de la herida. Estudios posteriores mostraron que esto se logró mediante la regulación al alza de los factores de crecimiento imperativos, el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) y el factor de crecimiento básico de fibroblastos (bFGF) . Tales pruebas demuestran la inmensa promesa de los ASCs en el tratamiento futuro de heridas.

Han surgido varios problemas en términos de uso de MSC y ASC. La pequeña población de MSC disponibles y la necesidad de procedimientos de cosecha invasivos dolorosos se han eludido en parte al cambiar a aplicaciones de ASC . Sin embargo, quedan por resolver otras cuestiones. La eficacia de cualquier terapia basada en células requiere que se administre un número suficiente de células, lo que a menudo ha llevado a la expansión ex vivo de las CMM para uso clínico. Esto puede ser problemático, ya que el cultivo a largo plazo puede dar lugar a cambios epigenéticos y fenotípicos en las poblaciones celulares, que pueden afectar a la eficacia o, lo que es peor, dar lugar a mutaciones dañinas . Los biorreactores de sistema cerrado ofrecen un medio para aumentar el número de células y reducir la variabilidad de los métodos de cultivo, aumentando el potencial de uso clínico a gran escala . Dados los desafíos del cultivo de células madre ex vivo, además de los hallazgos de que una vez trasplantados, la supervivencia de los MSC a menudo es de corta duración y sus efectos transitorios, las tecnologías para mejorar su eficiencia también son muy buscadas . Se han producido varios avances para mejorar los medios de administración de células, como los aerosoles de fibrina . Mejorar el microambiente local de las células madre trasplantadas, por ejemplo, sembrándolas en matrices de colágeno humano , proporciona un medio para optimizar la entrega y la supervivencia de las células. La mejora de células madre no se limita a los andamios de colágeno, ya que los hidrogeles y los andamios de fibroína de seda también han mejorado las características de cicatrización de heridas de las células madre coadministradas . Los nuevos métodos para dirigir las células madre a los tejidos deseados con marcaje de péptidos o anticuerpos podrían eliminar potencialmente la necesidad de administración directa . Aprovechar el potencial de las células madre en la terapia de heridas ha creado grandes oportunidades de innovación, tanto en términos de investigación científica básica como de comercialización de nuevas tecnologías. A medida que se siguen optimizando las terapias celulares, se desarrollarán más aplicaciones de células madre adultas, como ASCs y MSC, para uso de cirujanos plásticos.

La asombrosa capacidad proliferativa del embrión sugirió que el estudio de las células madre embrionarias (ESC) podría mejorar nuestra comprensión de los procesos regenerativos y proporcionar tratamientos de heridas más óptimos. Mientras que los embriones habían sido considerados originalmente como una fuente clave de células madre pluripotentes, las ESC han sido un tema de extrema controversia en los Estados Unidos, y el acceso a estas células en el pasado ha sido muy limitado. Los ESC se derivan de la masa celular interna del blastocisto, un embrión de preimplantación en estadio temprano. Por lo tanto, los ESC no se pueden extraer del paciente y su uso directo implicaría todos los inconvenientes del aloinjerto, además de las preocupaciones éticas asociadas con el tejido embrionario . Si bien los ESC en sí mismos son menos adecuados para el injerto de tejidos, proporcionan el potencial de aumentar los procesos de curación fisiológica a través de mecanismos paracrinos. Por ejemplo, las células endoteliales derivadas de ESC secretan una variedad de factores de citocinas que conducen a una mejor cicatrización de heridas .

Finalmente, el estudio de referencia realizado por Takahashi y Yamanaka en 2006 describió un método de reprogramación de células adultas a un estado embrionario, denominado células madre pluripotentes inducidas (IPSC) . Estas células abrieron muchas nuevas vías en la investigación de células madre al eludir la controversia ética y los problemas asociados con el rechazo de tejidos exógenos. Un estudio logró reprogramar fibroblastos dérmicos en IPSC, sin el uso de un vector viral, lo que significaba que se podían derivar IPSC para los pacientes enfermos y/o ancianos que probablemente los necesitaban más . Otro estudio ha demostrado que los fibroblastos derivados de iPSC muestran una mayor producción de proteínas de matriz extracelular que también podrían aumentar la tasa de cicatrización de heridas . El papel de los iPSCs continúa expandiéndose en numerosos campos de investigación, desde las ciencias básicas hasta las traslacionales. En 2014, un equipo japonés se convirtió en el primero en administrar IPSC clínicamente, en este caso para el tratamiento de la degeneración macular relacionada con la edad. Sin embargo, las terapias confiables basadas en iPSC para el manejo de heridas siguen siendo difíciles de alcanzar, en parte a medida que seguimos esperando los resultados de su primera aplicación clínica. La administración de células pluripotentes desdiferenciadas conlleva riesgos de formación tumoral posterior y, por lo tanto, se deben realizar estudios preliminares a largo plazo antes de cualquier proliferación en términos de su uso clínico. Debemos continuar ampliando nuestra comprensión de cómo pueden modular el entorno de la herida, al tiempo que mejoramos nuestra capacidad de manipularlos in vitro e in vivo. De esta manera podemos traducir más eficazmente nuestros descubrimientos del banco a la cama.

Los problemas relacionados con la cicatrización de heridas demuestran una carga significativa para el sistema de salud en su conjunto, pero su impacto psicosocial negativo en los pacientes es inconmensurable. Las tecnologías tradicionales de cicatrización de heridas, incluidos los injertos de piel y los sustitutos de la piel con ingeniería tisular, siguen siendo invaluables en la práctica clínica. Sin embargo, la creciente prevalencia de heridas recalcitrantes va de la mano con el aumento de las enfermedades crónicas. Por lo tanto, es imperativo que las técnicas más antiguas de manejo de heridas se complementen con terapias novedosas basadas en células para abordar las limitaciones de los tratamientos actuales.

Conflicto de Intereses

Los autores declaran que no existe conflicto de intereses con respecto a la publicación de este documento.

La Contribución de los autores

Michael S. Hu, Tripp Leavitt y Samir Malhotra contribuyeron igualmente a este trabajo.