¿ Qué usa la medicina regenerativa? II Estructuras 3D que imitan la estructura de un órgano.

 ¿ Qué son?

               Las estructuras 3D, andamios o scaffolds son estructuras que intentan imitar a la matriz extracelular, fabricada por las propias células, para sustituir parcial o totalmente un tejido u órgano que no funciona correctamente o bien para que actúen como vehículo para transportar células y moléculas a lugares concretos del organismo.

 

Características

               Los andamios ideales para los científicos deben de proporcionar:

1. Un soporte que sea bio-compatible,es decir que no provoque rechazo o daño.

 

      2. Duración suficiente dentro del organismo para llevar a cabo su función, ya que se suelen               fabricar con materiales bio-degradables; y poco a poco se irán disolviendo y desapareciendo             dentro del cuerpo.

     3.El soporte necesario para mantener al órgano o tejido.

     4. La porosidad adecuada para que puedan circular por él las células implantadas.

     5.Y una gran superficie para que las células puedan anclarse en ella; resumiendo, estos andamios debe proporcionar:                    

                            -Soporte.

                            -Adhesión.

                            -Migración.

                            -Proliferación.

                            -Diferenciación celular.

                            -Un lugar adecuado para el desarrollo del tejido vivo.

Tipos

             Se pueden utilizar dos tipos de andamios o estructuras 3D:

1. Andamios fabricados in vitro en un laboratorio, utilizando biomateriales.
2. Andamios de origen biológico, obtenidos a partir de un órgano o tejido ya existente al que se le han extraído las células, mediante diferentes procesos, y al que se le han implantado células del propio receptor. A este proceso se le llama descelularización.

            La descelularización es una técnica novedosa utilizada por la cirugía reconstructiva y la medicina regenerativa, que consiste en eliminar las células de un órgano utilizando distintos métodos conservando la estructura del órgano y reimplantando en él células del propio paciente, evitando así el rechazo. La descelularización se logra : 

• Produciendo un gradiente de presión con soluciones enzimáticas.
• Utilizando un fluido de dióxido de carbono.
• Por inmersión y agitación en soluciones con detergentes.
• Perfusión de sustancias químicas a través de los vasos sanguíneos. Es una técnica relativamente nueva y la única que permite la descelularización de secciones 3D de tejidos y órganos.

           Que este proceso se realice con éxito depende de factores como:

                        -El grado de conservación del órgano.

                           -El tamaño y el peso del órgano tejido.

                        -El tipo y la concentración de detergente utilizado.

                        -El tiempo de perfusión, que puede ir desde unas horas a unos días.

 

     

                 

Materiales de fabricación

               Estos soportes se fabrican con distintos materiales en función del tipo de tejido y de órgano donde se vaya a implantar. Estos materiales pueden ser:

• Naturales: 
  

                -Seda fabricada  por gusanos o arañas.

                -Ácido hialurónico, que se puede extraer de la cresta de los gallos.

                -Colágeno, obtenido de productos pesqueros.

                -Quitosano: obtenido a partir de los caparazones de los crustáceos.

• Sintéticos:

                -Materiales metálicos y cerámicos.

                -Fosfatos cálcicos: se utilizan por parecerse al mineral que forma los huesos.

                -Polímeros naturales o sintéticos. Son los mas utilizados.

 

• Materiales autólogos: son materiales extraídos del cuerpo del propio paciente, de una forma controlada, por ejemplo el plasma enriquecido con plaquetas.

              

Técnicas de fabricación

             Estas estructuras se  fabrican con dimensiones micro o nanométricas. La nanotecnologia es una ciencia que fabrica materiales con un tamaño muy  pequeño llamados nanomateriales con los  que se fabrican nanoestructuras  (andamios adecuados para la ingeniería de tejidos) porque tienen un tamaño molecular o atómico parecido al de las biomoléculas ( lípidos, proteínas, glúcidos y ácidos nucleicos). Los nanomateriales mas utilizados son las nanofibras y los nanotubos.

 

 

                Existen diferentes técnicas de fabricación:

1. Gel Casting: consiste en disolver el polímero en un disolvente orgánico; la solución obtenida se vierte en un molde hasta que alcanza la consistencia de un gel, el cual será tratado con diferentes concentraciones de acetona, etanol y agua para obtener la estructura.
2. Electrohilado o Electropinnig: consiste en utilizar un gradiente de potencial para dirigir la solución de un polímero. Crea andamios de fibras al azar o alineadas. 

      3.Autoensamblado de moléculas: proceso de asociación espontánea de moléculas para                 formar estructuras de mayor tamaño llamadas supra-moléculas, las cuales a su vez se unen para       formar estructuras celulares.

     4. Litografía: consiste en conseguir materiales con el tamaño adecuado después de exponerlos        a la luz, los iones o los electrones.

     5. Ataque químico selectivo:consiste en la fabricación de moléculas o partículas que pueden unirse de forma desordenada o en bloques para formar estructuras.

     6.Segregación de polímeros: consiste en separar los polímeros.

           

           Los nanomateriales presentan una mejor compatibilidad, mejores propiedades mecánicas y eléctricas que los materiales convencionales, así:

•  Las propiedades superficiales, como la rugosidad, facilitan la adhesión, proliferación y diferenciación de las células óseas.
•  En el tejido vascular también se utilizan los nanomateriales debido a la presencia de colágeno y elastina en la matriz extracelular. Los nanomateriales son útiles para mejorar las funciones de las células vasculares y endoteliales y las células musculares lisas.
•  En el tejido nervioso se utilizan nanofibras y nanotubos para ayudar a reparar nervios dañados.
• En la ingeniería de tejidos blandos,como la vejiga, los nanomateriales se utilizan para lograr una buena regeneración del tejido gracias a que tienen una rugosidad similar a la de las superficies biológicas.

                         

        Pero las estructuras 3D presentan una serie de inconvenientes:

1.  Solo unos pocos tejidos con estructura y componentes simples, se han fabricado con éxito utilizando este método; la fabricación de órganos o tejidos mas complejos ( riñón, hígado o corazón) presenta mas dificultades porque están formados por múltiples tipos diferentes de células y de matrices extracelulares, 
2. La vascularización, para mantener vivas a las células, proporcionándoles oxígeno y nutrientes.
3. Además la fabricación de las estructuras 3D es muy lenta.

               Por todo esto la ingeniería de tejidos necesitaba  una nueva técnica de fabricación : la bio-impresora 3D,  la cual elimina la necesidad de fabricar andamios porque fabrica tejidos capa a capa.

               La bioimpresión 3D de tejidos y órganos, es unos de los avances científicos mas extraordinarios de los últimos tiempos que nos trasporta a un mundo de ciencia ficción.La bioimpresión 3D comienza a convertirse en una realidad gracias al trabajo de ingenieros, expertos en ciencias de los materiales, físicos, biólogos moleculares, expertos en células madre y médicos: todos estos profesionales juntos están haciendo posible lo que hasta hace unos años parecía imposible: generar en el laboratorio tejidos y órganos funcionales que posteriormente puedan ser trasplantados a los pacientes.

                  La bioimpresión 3D surge de la combinación de la biología, la creación de materiales y la impresión 3D, a partir de un escáner o TAC realizado al paciente; un programa de diseño por ordenador permite trazar el tamaño exacto de un órgano o tejido que se necesita reemplazar; la información se envía a una impresora 3D que se encargará de fabricarla. La impresión 3D se puede realizar de 2 maneras:

1. La mas avanzada, consiste en fabricar estructuras o andamios con polímeros biocompatibles que no serán rechazados por el cuerpo. Este andamio será poblado con células madre en un biorreactor, una vez insertadas irán dejando paso a las células que el propio organismo genera.Tras cumplir su función, el andamio ira desapareciendo porque es biodegradable.

      2.La más compleja, consiste en imprimir órganos capa a capa; en este caso el material que                  fabrica la impresora contiene ya el cultivo celular vivo.

                 Los primeros ensayos se lograron con la reproducción de estructuras sencillas como la piel o cartílago; mas tarde se crearon prótesis con forma de oreja. Después generaron estructuras tubulares como los vasos sanguíneos. Actualmente se están dando los pasos para crear órganos tan complejos como riñones e hígado.

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