Los seres humanos somos complejos por naturaleza. Más allá de la disertación filosófica sobre el comportamiento, existe una razón más objetiva en esta afirmación: nuestras células. Las células son los componentes fundamentales del tejido que a su vez son las unidades básicas para integrar las funciones del cuerpo. Todos los tejidos humanos son complejos y justo su grado de complejidad es el que ha permitido escalar diferentes avances médicos destinados a la restauración, e incluso creación, de órganos.
La ingeniería tisular o ingeniería de tejidos es un campo que aplica principios de medicina regenerativa para restablecer la función de varios órganos al combinar células con biomateriales. Con estrategias multidisciplinarias que integran el trabajo de médicos, biólogos celulares, bioingenieros y científicos de materiales, se busca recuperar las funciones originales de un órgano. En los últimos 50 años la ingeniería de tejidos ha evolucionado con la creación de estrategias que, sin embargo, aún tienen grandes retos por delante.
Cuatro niveles de complejidad
Desde un punto de vista estructural, los tejidos pueden clasificarse en cuatro niveles de complejidad. Las estructuras planas, que abarcan de manera predominante un tipo de células epiteliales, como la piel, son los menos complejos. Las estructuras tubulares del organismo, como los vasos sanguíneos y la tráquea, son más complejas y deben construirse para asegurar que la estructura no se colapse. Estos tejidos por lo general tienen dos tipos celulares principales, pues se diseñaron para actuar como conductos para aire o para líquido.
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Por otra parte, los órganos huecos no tubulares, como estómago, vejiga o útero son más complejos desde el punto de vista estructural. Las células que los componen tienen interdependencia funcional; sin embargo, la mayor complejidad corresponde a los órganos sólidos porque la cantidad de células se incrementa de manera exponencial en comparación con cualquier otro tipo de tejido. Por eso tejidos de órganos como el corazón, pulmón e hígado se han recreado en el laboratorio, pero falta para que sean totalmente reproducibles y estén listos para implantarse.
Hace unas cuantas décadas, la mayor parte de los cultivos primarios de células humanas no podía crecer ni expandirse, lo que representaba un impedimento para la ingeniería de tejidos humanos, pero la identificación de células progenitoras específicas en los 90 permitió la expansión de múltiples tipos celulares. Desde el inicio de esta historia, la piel, por ser un tejido de menos complejidad estructural, fue uno de los objetivos iniciales. Los primeros estudios se centraron en crear sustitutos utilizando biomateriales y células cutáneas epiteliales con el objetivo de proporcionar una barrera de protección para los pacientes con quemaduras.
Por otra parte, hace 25 años se logró generar tejido gracias a una solución de ácido poliláctico introducido en células de cartílago. Se le dio forma de una oreja humana que no era funcional como un órgano de reemplazo, pero demostraba la factibilidad de crear tejido in vitro. Así, las primeras estrategias utilizaron biopsias de tejidos, seguidas de expansión ex vivo de células sembradas en andamiajes. Más tarde se implantaron andamiajes complejos al mismo paciente, donde el nuevo tejido podría madurar mejor.
Aún hay muchos obstáculos que superar. Los retos en el campo de ingeniería de tejidos no sólo se han centrado en la capacidad de reproducir las células humanas primarias en grandes cantidades; otros retos han sido la identificación de biomateriales apropiados, así como lograr los requerimientos para una vascularización adecuada del material sometido a ingeniería. Estas complicaciones aún siguen latentes en varios niveles; sin embargo, los pasos ya logrados, como el desarrollo de pieles en laboratorio, han sido de gran ayuda para la prueba del vasto mercado de productos cosméticos ahorrando tiempo y recursos, y evitando pruebas con animales.
El futuro en varios campos
“El futuro de este tipo de tecnologías es lograr chips con sistemas integrales de información de muchos órganos que puedan simular un organismo completo”, señala el especialista en genética y biología molecular. Para De Vecchi, el futuro de la ingeniería tisular está apoyado en dos grandes escalones que ha escalado la ciencia y que han abierto puertos de exploración: las células madre y la impresión en 3D.
Para tratar a un ser humano son necesarias cerca de 200 millones de células madre, así que el aumento de este tipo de células de forma rápida y segura ha sido una de las líneas más importantes de investigación, de hecho, muchos experimentos en el espacio están ligados a esos objetivos. La pregunta es si las condiciones de ingravidez contribuyen a aumentar producción de células madre de forma más rápida pues se sabe que las condiciones de microgravedad funcionan mejor que una placa de Petri. Los investigadores creen que las condiciones en ese ambiente pueden ser similares al ambiente flotante en que se desarrollan las células en el cuerpo.
Pero regresando a tierra firme, estas dos herramientas de exploración científica en el campo de la investigación tisular han dado frutos en la creación de órganos artificiales que no solo brindan mayores lecciones sobre la regeneración celular, sino mediante los cuales es posible luchar contra diferentes enfermedades en otros frentes, como probar fármacos en ellos. También se pueden anticipar daños por el efecto de determinados organismos, como sucedió con el Covid-19.
Investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña lideran un grupo de investigación en regeneración celular y cultivos tridimensionales, conocidos entre la comunidad científica como organoides, creados a partir de células madre pluripotentes (con muchos usos potenciales). Las estructuras creadas por este grupo de investigación, reconocido a nivel internacional, asemejan a tejido embrionario de riñón humano durante el segundo trimestre de gestación y mediante él lograron mimetizar aspectos fundamentales durante la formación del órgano, como la distribución, funcionalidad y organización específica de las células.
Además de generar conocimiento fundamental sobre cómo se desarrolla el riñón, para en un futuro lograr crear órganos con el potencial de ser trasplantados, en la actualidad este conocimiento ha servido para probar compuestos terapéuticos y recién permitió estudiar la afectación del coronavirus SARS-Cov-2 en varios tejidos del cuerpo. El estudio ayudó a determinar durante las etapas tempranas de la pandemia que la infección por el virus inducía inflamación en los vasos sanguíneos en varios órganos.
El descubrimiento de que existe un elemento biomecánico para controlar cómo se transforman las células madre en otros tipos de células ha sido pieza importante del rompecabezas de ingeniería de tejidos. El uso de las células madre pluripotentes y el desarrollo de la impresión 3D aceleró el proceso de creación de tejidos de geometrías complejas.
En un futuro se busca que estos avances se integren a aplicaciones biomédicas basadas en nanotecnologías y a las TIC para desarrollar microdispositivos que se implantarán en el cuerpo y que permitirán la interacción en microsistemas orgánicos para intentar corregir enfermedades hoy incurables. Los retos continúan expandiéndose. Se busca que las prótesis cardiacas que requieren medicación anticoagulante de por vida se sustituyan por bioprótesis fabricadas a partir de células madre del paciente. En medicina reproductiva, existe la esperanza de producir células germinales femeninas y masculinas para contrarrestar problemas ligados a la infertilidad.