¿Qué es la ingeniería tisular?

La ingeniería tisular es una herramienta importante para comprender cómo progresan ciertas enfermedades y cómo pueden tratarse. Terapias basadas en técnicas de ingeniería tisular ya han sido aprobadas en Europa. Entonces, ¿qué es la ingeniería tisular?

¿Qué es la ingeniería tisular?

La ingeniería tisular forma parte del campo de la bioingeniería. La bioingeniería es una disciplina amplia que combina principios de la biología y la ingeniería. A veces es descrita como adoptar un enfoque de ingeniería para el estudio de la biología.

En el campo de la salud, los bioingenieros contribuyen en áreas como el diseño de dispositivos (p.ej., tener en cuenta todas las fuerzas mecánicas que tendrá que soportar un implante articular), la fisioterapia (p.ej., estudiar cómo el soporte de peso afecta la curación de un hueso roto) y la administración de fármacos (p.ej., comprender qué tan rápido se descompone el recubrimiento de una pastilla y comenzará a tener un efecto).

La ingeniería tisular implica investigar las fuerzas biológicas, físicas y químicas involucradas en el desarrollo de tejidos, lesiones, y cicatrización de heridas. El objetivo de la ingeniería tisular es restaurar, mantener, mejorar o reemplazar tejidos biológicos. Esto requiere conocer las condiciones en las que el tejido está sano y cómo hacer que el tejido dañado vuelva a ese estado con tratamiento. Para estudiar esto, los ingenieros de tejidos deben cultivar células en un laboratorio que se comporten como las células sanas que crecen en el cuerpo ('tejido nativo’).

Las muestras de tejido cultivadas fuera del cuerpo utilizando técnicas de ingeniería tisular a menudo se denominan 'construcciones de ingeniería tisular’.

¿Cuál es la diferencia entre la ingeniería tisular y la medicina regenerativa?

Los términos ‘ingeniería tisular’ y ‘medicina regenerativa’ se usan a menudo indistintamente.  Ambos se centran en la reparación, mantenimiento y restauración de tejidos biológicos. La diferencia clave es que la ingeniería tisular se centra en el cultivo de tejidos fuera del cuerpo. La medicina regenerativa se enfoca específicamente en cómo estas técnicas de ingeniería tisular pueden usarse en un entorno de atención médica para reparar tejido dentro del cuerpo.

Gran parte de la investigación en ingeniería tisular tiene el objetivo a largo plazo de desarrollar una construcción que pueda usarse en la clínica. La investigación en ingeniería tisular es un primer paso necesario en las terapias de medicina regenerativa.

¿Cuáles son los principios de la ingeniería tisular?

Los tres elementos definitorios de la ingeniería tisular son el uso de:

• Células madre
• Un andamio tridimensional biocompatible
• Moléculas bioactivas

Las células madre son células capaces de desarrollar (diferenciándose) más de un tipo celular. Los ejemplos más conocidos son las células madre embrionarias, que pueden convertirse en cualquier tipo de célula del cuerpo. Las células madre en adultos pueden diferenciarse en varios tipos de células diferentes, dependiendo de dónde se originen dentro del cuerpo. Por ejemplo, las células madre derivadas del tejido adiposo, que se encuentran en el tejido adiposo, pueden diferenciarse en hueso, cartílago o grasa, así como en otros tipos de tejido. El camino que sigue una célula depende de muchos factores, incluidas las fuerzas mecánicas (como el movimiento muscular en el embrión en desarrollo) o la exposición a sustancias químicas (como las moléculas de señalización en el torrente sanguíneo).

Los andamios son estructuras tridimensionales que soportan el crecimiento de células madre en el tipo de célula o tejido deseado. Las células en el laboratorio a menudo se cultivan en superficies planas o se suspenden dentro de un líquido. Un andamio 3D es una estructura más parecida al entorno 3D del cuerpo.

Es importante que el material utilizado en el andamio sea biocompatible – que no dañe el tejido con el que entra en contacto. Esto significa que el material no debe ser tóxico, pero tampoco debe descomponerse con el tiempo en partes pequeñas que puedan irritar el tejido. Los materiales utilizados en los andamios de ingeniería tisular incluyen colágeno o ciertas cadenas de proteínas (proteoglicanos).

Los andamios para ingeniería tisular deben además ser porosos. Las células madre solo se pueden colocar (sembrado) en el exterior del andamio, por lo que es importante que el andamio sea lo suficientemente poroso para que las células se muevan internamente hacia el núcleo a medida que crecen. Si la construcción tiene células solo en el exterior y ninguna en el núcleo, no se comportará como un tejido normal.

Las moléculas bioactivas son sustancias que tienen un efecto sobre los tejidos vivos. En ingeniería tisular, éstas pueden ser moléculas de señalización o factores de crecimiento que pueden influir en cómo se diferencia una célula madre. Estas moléculas bioactivas pueden estar en la mezcla de nutrientes utilizada para hacer crecer la célula en un laboratorio. También pueden incorporarse al andamio 3D durante la etapa de fabricación.

Los investigadores también están investigando cómo se pueden utilizar las moléculas bioactivas para hacer que los implantes de ingeniería tisular sean más efectivos. Por ejemplo, un andamio podría liberar un fármaco que reduzca la inflamación o que ayude a las células implantadas a fijarse en el lugar del implante.

¿Cómo se puede utilizar la ingeniería tisular en la investigación para desarrollar terapias génicas y celulares?

Las técnicas de ingeniería tisular se utilizan para hacer crecer "modelos" de tejido en el laboratorio. Estos tienen muchos usos en investigación.

• Estudiar el desarrollo normal del tejido. La ingeniería tisular puede permitir a los investigadores ver cómo se desarrollan ciertos tipos de tejidos a partir de células madre. Al controlar el entorno, pueden observar cómo ciertos cambios afectan al tejido en desarrollo. Esto les permite responder preguntas muy específicas. Al realizar un estudio en animales o humanos, siempre habrá factores desconocidos que no se pueden controlar. En un modelo de ingeniería tisular, los investigadores pueden controlar los cambios en el medio ambiente y medir los resultados con precisión.
• Estudiar las enfermedades a nivel tisular. Los científicos pueden adaptar el entorno del laboratorio para que se asemeje a una enfermedad en particular. (Por ejemplo, para comprender cómo la artritis afecta el desarrollo y la reparación de cartílago, los científicos pueden agregar moléculas inflamatorias a la mezcla de nutrientes.) Otra forma de estudiar una enfermedad a nivel de tejido es extraer células de pacientes con la enfermedad y comparar el desarrollo de su tejido con células de pacientes sanos.
• Probar terapias . Las construcciones de ingeniería tisular se pueden usar para probar medicamentos para confirmar que son seguros para un tipo de tejido en particular o para ver qué efecto tienen en un modelo de enfermedad.

Aplicaciones actuales y posibles

Tissue engineering is used in the following approved therapies:

• Spherox (CO.DON.AG, aprobado en la UE en 2017), utilizado para tratar defectos del cartílago en las articulaciones de la rodilla. Esta terapia implica extraer células del paciente y luego aislar las células capaces de convertirse en cartílago. En el laboratorio, se cultivan en grupos esféricos de células (esferoides). Estos esferoides se implantan en los defectos del cartílago, donde se adhieren al cartílago. Junto con un programa de fisioterapia, estos implantes pueden rellenar el defecto con el tiempo, reduciendo el dolor y mejorando la movilidad.

Los investigadores también están investigando si tejido diseñado por ingeniería podría usarse para injertos o implantes de tejido, incluyendo:

• Diseño de piel para tratar lesiones graves por quemaduras
• Ingeniería de válvulas cardíacas para personas con enfermedad de las válvulas cardíacas
• Ingeniería de tejido nervioso para reparar nervios dañados o seccionados
• Ingeniería de tejido de vasos sanguíneos
• Diseño de tejido óseo para reemplazar el hueso perdido por una lesión o infección
• Ingeniería de tejido intestinal para tratar el síndrome de intestino corto

Esta lista de ninguna manera está completa. La investigación en ingeniería tisular tiene implicaciones en el tratamiento de enfermedades congénitas, tejidos enfermos y lesiones.

¿Cuáles son los desafíos en el uso de la ingeniería tisular para desarrollar terapias?

• Extracción de las células adecuadas. Dado que los tejidos son una mezcla de diferentes tipos de células, los investigadores deben desarrollar métodos para extraer y aislar el tipo correcto de célula indiferenciada de pacientes o donantes; de lo contrario, no se desarrollará el tipo de tejido adecuado.

• Comprender qué factores afectan la diferenciación celular. El cuerpo humano es un entorno mucho más complicado para las células que un laboratorio, donde se pueden controlar todas las sustancias químicas, los nutrientes y las fuerzas físicas. Esto significa que un tejido cultivado en el laboratorio estará expuesto a un entorno diferente cuando se implante en el cuerpo. Los científicos deben comprender el entorno del cuerpo para evitar que el implante se diferencie en un tipo de célula incorrecto (por ejemplo, hueso en lugar de cartílago).

• Recrear las características propias de un tejido. Ser capaz de hacer crecer un tipo particular de tejido no es suficiente necesariamente; algunos tejidos se comportan de manera diferente en diferentes regiones del cuerpo. Por ejemplo, las propiedades mecánicas del cartílago en la superficie de una articulación son diferentes de las del cartílago que está junto al hueso. Esto significa que un implante para un defecto de cartílago profundo tendría el mismo rango que el cartílago nativo.

• Integración celular en el sitio del implante. Para asegurar completamente el implante en su lugar, el tejido diseñado y el tejido nativo deben ‘crecer el uno dentro del otro’ e intrincarse. Si un implante de ingeniería tisular no se integra en el cuerpo, es posible que el sitio no cicatrice adecuadamente.

•  Evaluación de los efectos a largo plazo de las células implantadas. Al igual que con cualquier otra tecnología nueva, los investigadores deberán monitorizar las construcciones de ingeniería tisular implantadas a largo plazo para garantizar que sean seguras y predecibles.

Averigue más

Tissue Engineering and Regenerative Medicine (National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, National Institutes of Health) (en ingles)