Elaborado por Materia para OpenMind Recomendado por Materia
7
Inicio Tejidos de laboratorio
08 abril 2022

Tejidos de laboratorio

Tiempo estimado de lectura Tiempo 7 de lectura

Confeccionar en el laboratorio √≥rganos y tejidos humanos que funcionen de forma id√©ntica a los originales hace tiempo que dej√≥ de ser una fantas√≠a. La bioingenier√≠a de tejidos y √≥rganos, basada en el uso de c√©lulas madre y sus t√©cnicas derivadas, ha conseguido avances sorprendentes en los √ļltimos a√Īos. Aunque sus aplicaciones cl√≠nicas generalizadas no ser√°n inmediatas, la tecnolog√≠a b√°sica necesaria para crear tejidos sanos de repuesto con los que reparar √≥rganos enfermos ya es una realidad hoy. Y hasta que lleguen a nuestro hospital de cabecera las promesas de la nueva medicina regenerativa, cuyos logros m√°s recientes repasamos aqu√≠, los investigadores ya est√°n explotando el enorme poder de los organoides ‚ÄĒversiones en miniatura de los √≥rganos reales en una placa de cultivo‚ÄĒ para estudiar su funcionamiento y testar nuevos f√°rmacos y terapias adaptadas a las c√©lulas de cada paciente.

√ďrganos digestivos

Un pu√Īado de c√©lulas madre humanas sirvi√≥ a investigadores del Centro M√©dico del Hospital Infantil de Cincinnati para crear en 2014 una versi√≥n en miniatura de un est√≥mago. ‚ÄúHemos descubierto c√≥mo impulsar la formaci√≥n de tejido g√°strico tridimensional con una composici√≥n y estructura celular complejas‚ÄĚ, se enorgullec√≠a James Wells, experto en biolog√≠a del desarrollo y endocrinolog√≠a y codirector de la investigaci√≥n. La clave: conseguir replicar en placas de cultivo los pasos exactos de la formaci√≥n del est√≥mago durante el desarrollo embrionario, que se utilizaron a modo de libro de instrucciones.

Adem√°s de sus posibles futuros usos para reparar est√≥magos enfermos, los organoides fabricados por estos bioingenieros son id√≥neos para investigar a fondo y en directo c√≥mo evoluciona la infecci√≥n por la bacteria causante de la √ļlcera p√©ptica, Helicobacter pylori, o para analizar c√≥mo afecta la obesidad al funcionamiento de este √≥rgano, entre otras posibles aplicaciones.

Estos organoides son idóneos para investigar la infección por la bacteria Helicobacter pylori. Créditos foto: Kyle McCracken

Recientemente Wells y sus colaboradores han perfeccionado sus organoides estomacales, dot√°ndolos de gl√°ndulas y de neuronas que controlan la contracci√≥n del m√ļsculo. ‚ÄúAhora podemos ensamblar tejidos de √≥rganos complejos a partir de componentes derivados separadamente, de modo similar a una cadena de montaje‚ÄĚ, dice el investigador. La misma t√©cnica ha servido para crear organoides de otros segmentos del tubo digestivo, como el es√≥fago o un intestino en miniatura con vellosidades que absorben nutrientes como el √≥rgano real. En un avance a√ļn m√°s espectacular, un trabajo en colaboraci√≥n con el bioingeniero Takanori Takebe ha producido un sistema de tres organoides interconectados: h√≠gado, p√°ncreas y conductos biliares.

Cuerdas vocales

En noviembre de 2015, cient√≠ficos de la Universidad de Wisconsin-Madison anunciaron un gran logro: hab√≠an fabricado en el laboratorio tejido de cuerdas vocales humanas que podr√≠a devolver la voz a las personas que la han perdido como consecuencia del c√°ncer o de otras patolog√≠as. ‚ÄúNuestras cuerdas vocales est√°n hechas de un tejido especial que debe ser, por un lado, lo bastante flexible para vibrar al paso del aire y, por otro, lo bastante fuerte para soportar sin romperse cientos de oscilaciones por segundo‚ÄĚ, explicaba Nathan Welham, director del trabajo. ‚ÄúEs un sistema sofisticado y dif√≠cil de replicar‚ÄĚ, admit√≠a. Welham y su equipo aislaron las c√©lulas de las cuerdas vocales de un cad√°ver y las hicieron crecer sobre un armaz√≥n de col√°geno en 3D. En dos semanas, las c√©lulas formaron una estructura de cuerda vocal que vibraba de manera id√©ntica a la original.

Esta estructura de cuerda vocal, fabricada en el laboratorio, vibra de manera idéntica a la original. Créditos: ENT department, Medical College of Georgia

Sin embargo, construir unas cuerdas vocales capaces de soportar los esfuerzos que sufre este √≥rgano a√ļn es un reto. Otro equipo de la Universidad de Wisconsin-Madison dirigido por Susan Thibeault ha conseguido crear una mucosa vocal que responde igual que la natural a agresiones como la del humo del tabaco. Mientras, en la Universidad McGill de Canad√°, un grupo de cient√≠ficos ha producido un hidrogel biol√≥gico que podr√≠a servir para reforzar este tejido y ayudarlo a aguantar el estr√©s mec√°nico al que est√° sometido.¬†

Ovarios, vagina y pene

Los problemas hormonales que sufren las mujeres con extirpaci√≥n de ovarios, afectadas por un c√°ncer o que comienzan la menopausia podr√≠an paliarse gracias a la ingenier√≠a de tejidos. Cient√≠ficos del Instituto de Medicina Regenerativa del Centro M√©dico Wake Forest crearon tejidos de ovario de rata en microc√°psulas que simulan la estructura natural del √≥rgano. ‚ÄúEs mejor un ovario bioartificial que libere hormonas sexuales como el estr√≥geno y la progesterona de forma natural que suministrar este tipo de hormonas artificialmente‚ÄĚ, explicaba Emmanuel C. Opara, responsable de la investigaci√≥n. El equipo de Opara ha comprobado despu√©s que el trasplante de estos tejidos a las ratas suple la funci√≥n hormonal perdida. Otros grupos est√°n creando organoides ov√°ricos de mujeres con c√°ncer que permiten probar los tratamientos y encontrar el mejor para cada paciente antes de administr√°rselo.

Es mejor un ovario bioartificial que libere hormonas sexuales que suministrar este tipo de hormonas a las pacientes. Créditos: Wake Forest Baptist Medical Center

En este mismo Instituto, Anthony Atala y su equipo trasplantaron por primera vez a cuatro adolescentes con un síndrome de malformación un tejido vaginal construido en el laboratorio a partir de sus propias células, extraídas previamente en una biopsia. Las células se hicieron crecer en un material biodegradable con forma de vagina hecho a medida de cada paciente, que los cirujanos implantaron tras seis semanas creciendo en cultivo. Una vez implantado el tejido, nuevos nervios y vasos sanguíneos empezaron a formarse espontáneamente a su alrededor, y el nuevo órgano se integró con el resto del sistema reproductor. Atala también ha ensayado la fabricación de penes por bioingeniería, que han funcionado con éxito en conejos.

M√ļsculo

El m√ļsculo es un objetivo obvio para la generaci√≥n de tejidos de laboratorio, ya que no posee una estructura tan compleja como la de ciertos √≥rganos. Aun as√≠, es necesario lograr la configuraci√≥n adecuada del tejido para que pueda ejercer su funci√≥n. Diversos grupos de investigaci√≥n han cultivado c√©lulas precursoras del m√ļsculo, disponi√©ndolas sobre distintos tipos de matrices artificiales para que puedan alinearse y funcionar como fibras musculares. Estos m√ļsculos de laboratorio se est√°n empleando para estudiar el envejecimiento y la regeneraci√≥n muscular. Como en el caso de otros tejidos cultivados in vitro, una de sus principales utilidades es el testado de nuevos f√°rmacos para observar c√≥mo reaccionar√≠a el m√ļsculo humano in vivo, lo que servir√° para dise√Īar nuevos tratamientos personalizados en el campo de la medicina de precisi√≥n.

Los m√ļsculos de laboratorio se est√°n empleando para estudiar el envejecimiento y la regeneraci√≥n muscular.¬†Cr√©ditos: Nenad Bursac, Duke University

Vasos sanguíneos

La creaci√≥n de vasos sangu√≠neos en cultivo ha sido una de las principales l√≠neas de investigaci√≥n desde el nacimiento de la ingenier√≠a de tejidos. Ya en 1986 se obtuvieron los primeros √©xitos con la fabricaci√≥n de vasos sangu√≠neos similares a los naturales empleando col√°geno, m√ļsculo liso, fibroblastos y c√©lulas endoteliales de las que tapizan el interior del tubo. Para obtener la estructura correcta los investigadores ensayan distintas estrategias, como utilizar un andamiaje de pol√≠meros biol√≥gicos para dar soporte a las c√©lulas. Estos compuestos son biodegradables, de modo que una vez implantados son reemplazados por tejido del propio cuerpo, dando como resultado un vaso sangu√≠neo natural y plenamente activo. Otra posibilidad es crear tubos de material biol√≥gico en cultivos celulares, a los que se les eliminan las c√©lulas antes de su implantaci√≥n en el paciente, para que sean las propias c√©lulas de este las que completen el trabajo mediante un proceso normal de cicatrizaci√≥n.

Una vez implantados son reemplazados por tejido del propio cuerpo, dando como resultado un vaso sangu√≠neo natural y plenamente activo. Cr√©ditos: Brigham and Women’s Hospital

Corazón

Tambi√©n en las primeras d√©cadas de la medicina regenerativa el coraz√≥n centr√≥ buena parte de las investigaciones, por los grandes beneficios que estos avances podr√≠an aportar a los enfermos cardiovasculares. Los progresos en el cultivo de m√ļsculo card√≠aco llegaron pronto, pero otro reto mucho m√°s complicado es conseguir un coraz√≥n completo y funcional. Lo lograron en 2008 investigadores del Centro de Reparaci√≥n Cardiovascular de la Universidad de Minnesota. Para ello usaron un proceso llamado descelularizaci√≥n, consistente en tomar un coraz√≥n ‚ÄĒlo probaron con cerdo y rata‚ÄĒ y eliminar las c√©lulas presentes para quedarse solo con la estructura, la ‚Äúplataforma de la naturaleza‚ÄĚ, en palabras de los autores. A continuaci√≥n resembraron ese andamiaje natural con una mezcla de c√©lulas progenitoras para recrear el tejido vivo. Cuatro d√≠as despu√©s de incorporar las c√©lulas, ya se observaban contracciones en algunas zonas. Y transcurridos ocho d√≠as m√°s los corazones estaban latiendo.

Créditos: Advanced Science, Tel Aviv University
En 2019 investigadores de la Universidad de Tel Aviv crearon el primer corazón humano completo. Créditos: Advanced Science, Tel Aviv University

En 2019 investigadores de la Universidad de Tel Aviv crearon el primer coraz√≥n humano completo ‚ÄĒaunque del tama√Īo del de un conejo‚ÄĒ mediante bioimpresi√≥n en 3D empleando c√©lulas de un paciente y materiales biol√≥gicos para crear la estructura de soporte. Utilizando c√©lulas madre, otros grupos han generado organoides card√≠acos del tama√Īo de una semilla de s√©samo que se organizan solos sin necesidad de un andamiaje, con todos sus tipos celulares y sus cavidades internas, y que a los pocos d√≠as en cultivo comienzan a latir. En 2020 se llev√≥ a cabo en Jap√≥n el primer trasplante de m√ļsculo card√≠aco cultivado en un laboratorio a un paciente con una dolencia del coraz√≥n, en la primera fase de un ensayo cl√≠nico.

Neuronas

La recreaci√≥n del tejido nervioso es quiz√° la meta m√°s ambiciosa de la bioingenier√≠a tisular, tanto por la especial complejidad de las conexiones neuronales como por los avances que podr√≠an lograrse en la lucha contra las enfermedades neurodegenerativas y otras patolog√≠as. En 2014 cient√≠ficos de la Universidad Tufts crearon el primer modelo complejo tridimensional del c√≥rtex cerebral de una rata con respuestas bioqu√≠micas y el√©ctricas similares a las de un cerebro real. Aunque no se trata de un cerebro completo, la r√©plica artificial copia la estructura natural de materia gris (los cuerpos celulares de las neuronas) y materia blanca (los axones de las neuronas). Las neuronas se disponen en anillos conc√©ntricos simulando la formaci√≥n de capas en el cerebro. El modelo 3D, que puede sobrevivir m√°s de dos meses, ser√° √ļtil para estudiar en vivo el funcionamiento del cerebro, as√≠ como los efectos de los f√°rmacos sobre las neuronas y las enfermedades que les afectan.

En este modelo complejo del córtex, las neuronas se disponen en anillos concéntricos simulando la formación de capas en el cerebro. Créditos: Universidad de Tufts

En los √ļltimos a√Īos diversos equipos de investigaci√≥n han creado organoides cerebrales cada vez m√°s sofisticados. Estos minicerebros en una placa de cultivo llegan a fabricar sus propios vasos sangu√≠neos y a establecer conexiones neuronales capaces de transmitir impulsos similares a las ondas cerebrales reales que se registran durante el desarrollo fetal. Para el cient√≠fico de la Universidad Johns Hopkins Thomas Hartung, uno de los pioneros de esta tecnolog√≠a, y aunque esta actividad minicerebral sea puramente mec√°nica, en cierto modo podr√≠a pensarse que equivale a una forma primitiva de pensamiento. En 2021 un estudio dirigido por la Universidad Heinrich Heine de D√ľsseldorf produjo organoides cerebrales que crearon sus propias ves√≠culas √≥pticas, las estructuras que dan lugar a los ojos. Aunque muy rudimentarias, pose√≠an partes diferenciadas emulando la c√≥rnea, el cristalino y la retina, junto con neuronas funcionales, y respond√≠an a la luz con actividad el√©ctrica. Tambi√©n los ojos se est√°n recreando en forma de organoides.

Con todo, conviene aclarar que los cient√≠ficos no est√°n tratando de desarrollar un cerebro pensante en una placa, lo cual por otro lado a√ļn est√° infinitamente lejos de las tecnolog√≠as actuales. En cambio, los organoides cerebrales son herramientas de valor inestimable para investigar el desarrollo del sistema nervioso, sus enfermedades y sus posibles tratamientos. En otro avance reciente, se ha conseguido trasplantar minicerebros humanos al cerebro de ratones, lo que permitir√° obtener modelos in vivo de las enfermedades neurol√≥gicas humanas mucho m√°s similares a la realidad que los empleados actualmente

 

Elena Sanz / Javier Yanes

@ElenaSanz_/  @yanes68‬

 

Publicaciones relacionadas

Comentarios sobre esta publicación

Escribe un comentario aquí…* (Máximo de 500 palabras)
El comentario no puede estar vacío
*Tu comentario ser√° revisado antes de ser publicado
La comprobación captcha debe estar aprobada