Ingeniería de tejidos: Cómo construir un corazón

Doris Taylor no lo toma como un insulto cuando la gente la llama Dr. Frankenstein. «En realidad, fue uno de los mayores elogios que he recibido», dice, una afirmación de que su investigación está superando los límites de lo posible. Dada la naturaleza de su trabajo como directora de investigación de medicina regenerativa en el Instituto del Corazón de Texas en Houston, Taylor tiene que admitir que la comparación es adecuada. Regularmente recolecta órganos como corazones y pulmones de los recién muertos, los reingeniería a partir de las células e intenta devolverlos a la vida con la esperanza de que puedan latir o respirar de nuevo en los vivos.

Taylor está a la vanguardia de los investigadores que buscan diseñar órganos completamente nuevos, para permitir trasplantes sin el riesgo de rechazo por parte del sistema inmunitario del receptor. La estrategia es bastante simple en principio. En primer lugar, retire todas las células de un órgano muerto, ni siquiera tiene que ser de un ser humano, luego tome el armazón de proteínas dejado atrás y repoblarlo con células madre inmunológicamente adaptadas al paciente necesitado. ¡Voilà! Se soluciona la penosa escasez de órganos trasplantables en todo el mundo.

En la práctica, sin embargo, el proceso está plagado de enormes desafíos. Los investigadores han tenido cierto éxito en el cultivo y trasplante de órganos huecos y relativamente simples, como tráqueas y vejigas (ver go.nature.com/zvuxed Pero el crecimiento de órganos sólidos, como los riñones o los pulmones, significa colocar a docenas de tipos de células exactamente en las posiciones correctas y, al mismo tiempo, hacer crecer redes completas de vasos sanguíneos para mantenerlos vivos. Los nuevos órganos deben ser estériles, capaces de crecer si el paciente es joven, y al menos nominalmente capaces de repararse a sí mismos. Lo más importante es que tienen que trabajar, idealmente, para toda la vida. El corazón es el tercer órgano más necesario después del riñón y el hígado, con una lista de espera de unos 3.500 solo en los Estados Unidos, pero plantea desafíos adicionales para el trasplante y la bioingeniería. El corazón debe latir constantemente para bombear unos 7.000 litros de sangre al día sin respaldo. Tiene cámaras y válvulas construidas a partir de varios tipos diferentes de células musculares especializadas llamadas cardiomiocitos. Y los corazones de donantes son raros, porque a menudo se dañan por enfermedades o esfuerzos de reanimación, por lo que un suministro constante de órganos con ingeniería biológica sería bienvenido.

Taylor, que dirigió algunos de los primeros experimentos exitosos para construir corazones de ratas1, es optimista sobre este desafío definitivo en ingeniería de tejidos. «Creo que es eminentemente factible», dice, agregando rápidamente, » No creo que sea simple.»Algunos colegas son menos optimistas. Paolo Macchiarini, cirujano torácico y científico del Instituto Karolinska de Estocolmo, que ha trasplantado tráqueas con bioingeniería a varios pacientes, dice que aunque la ingeniería de tejidos podría convertirse en una rutina para reemplazar estructuras tubulares como tubos de viento, arterias y esófagos, «no está seguro de que esto suceda con órganos más complejos».

Sin embargo, el esfuerzo puede valer la pena incluso si falla, dice Alejandro Soto-Gutiérrez, investigador y cirujano de la Universidad de Pittsburgh en Pensilvania. «Además del sueño de fabricar órganos para trasplantes, hay muchas cosas que podemos aprender de estos sistemas», dice, incluida una mejor comprensión básica de la organización celular en el corazón y nuevas ideas sobre cómo arreglarla.

NIK SPENCER / NATURALEZA

El andamio

Durante más de una década, los biólogos han sido capaces de convertir las células madre embrionarias en células musculares del corazón latentes en un plato. Con un poco de marcapasos eléctrico desde el exterior, estas células cardíacas diseñadas incluso caen en el paso y mantienen los latidos sincrónicos durante horas.

Pero para pasar de las manchas de espasmos en una placa de Petri a un corazón en funcionamiento, se necesita un andamio para organizar las células en tres dimensiones. En última instancia, los investigadores pueden ser capaces de crear tales estructuras con impresión tridimensional, como se demostró a principios de este año con una tráquea artificial2 (ver Nature http://doi.org/m2q; 2013). Sin embargo, en el futuro previsible, la compleja estructura del corazón humano está más allá del alcance de las máquinas más sofisticadas. Esto es particularmente cierto para las intrincadas redes de capilares que deben suministrar oxígeno y nutrientes al corazón y eliminar los productos de desecho de lo profundo de sus tejidos. «La vascularización es el mayor desafío», dice Anthony Atala, urólogo de la Universidad Wake Forest en Winston-Salem, Carolina del Norte, que ha implantado vejigas de ingeniería biológica en los pacientes3 y está trabajando en la construcción de riñones (ver Nature http://doi.org/dw856h; 2006).

Las técnicas líderes para los aspirantes a constructores de corazón generalmente implican reutilizar lo que la biología ya ha creado. Un buen lugar para ver cómo se hace esto es el Hospital General de Massachusetts en Boston, donde Harald Ott, un cirujano e investigador de medicina regenerativa, demuestra un método que desarrolló mientras se entrenaba con Taylor a mediados de la década de 2000.

Suspendido por tubos de plástico en una cámara con forma de tambor hecha de vidrio y plástico, hay un corazón humano fresco. Cerca hay una bomba que empuja el detergente silenciosamente a través de un tubo que llega hasta la aorta del corazón. El flujo fuerza el cierre de la válvula aórtica y envía el detergente a través de la red de vasos sanguíneos que alimentaban el músculo hasta que su dueño murió unos días antes. En el transcurso de aproximadamente una semana, explica Ott, este flujo de detergente eliminará los lípidos, el ADN, las proteínas solubles, los azúcares y casi todo el resto del material celular del corazón, dejando solo una malla pálida de colágeno, lamininas y otras proteínas estructurales: la «matriz extracelular» que una vez mantuvo unido al órgano.

El corazón de andamio no tiene que ser humano. Los cerdos son prometedores: llevan todos los componentes cruciales de la matriz extracelular, pero es poco probable que porten enfermedades humanas. Y sus corazones rara vez se debilitan por la enfermedad o los esfuerzos de reanimación. «Los tejidos de cerdo son mucho más seguros que los humanos y hay un suministro ilimitado», dice Stephen Badylak, investigador de medicina regenerativa de la Universidad de Pittsburgh.

La parte complicada, dice Ott, es asegurarse de que el detergente disuelva la cantidad justa de material. Si se quita muy poco, la matriz podría retener algunas de las moléculas de la superficie celular que pueden provocar el rechazo por parte del sistema inmunitario del receptor. Si se quita demasiado, podría perder proteínas vitales y factores de crecimiento que indican a las células recién introducidas dónde adherirse y cómo comportarse. «Si se puede utilizar un agente más suave y un marco de tiempo más corto, se obtiene una respuesta de remodelación más adecuada», dice Thomas Gilbert, quien estudia descelularización en ACell, una empresa en Columbia, Maryland, que produce productos de matriz extracelular para medicina regenerativa.

A través de ensayo y error, aumentando la concentración, el tiempo y la presión de los detergentes, los investigadores han refinado el proceso de descelularización en cientos de corazones y otros órganos. Es probablemente la etapa más desarrollada de la empresa de generación de órganos, pero es solo el primer paso. A continuación, el armazón necesita repoblarse con células humanas.

Las células

La ‘recelularización’ introduce otra serie de desafíos, dice Jason Wertheim, cirujano de la Escuela de Medicina Feinberg de la Universidad Northwestern en Chicago, Illinois. «Uno, ¿qué células usamos? Dos, ¿cuántas células usamos? Y tres, ¿deberían ser células maduras, células madre embrionarias, células iPS? ¿Cuál es la fuente celular óptima?»

Usar células maduras es difícil, por decir lo menos, dice Taylor. «No se puede hacer que proliferen los cardiocitos adultos», dice. «Si pudieras, no estaríamos teniendo esta conversación en absoluto», porque los corazones dañados podrían repararse a sí mismos y no habría necesidad de trasplantes.

La mayoría de los investigadores en el campo utilizan una mezcla de dos o más tipos de células, como células precursoras endoteliales para alinear los vasos sanguíneos y los progenitores musculares para sembrar las paredes de las cámaras. La Ott ha estado derivando estos de células iPS, células adultas reprogramadas a un estado similar a células madre embrionarias utilizando factores de crecimiento, porque se pueden tomar de un paciente necesitado y usarse para fabricar tejidos inmunológicamente compatibles.

En principio, el enfoque de células iPS podría proporcionar al nuevo corazón su conjunto completo de tipos de células, incluidas las células vasculares y varias variedades de células musculares del corazón. Pero en la práctica, se encuentra con sus propios problemas. Una es el tamaño de un corazón humano. Los números son muy subestimados, dice Ott. «Una cosa es hacer un millón de células; otra es hacer 100 millones o 50 mil millones de células.»Y los investigadores no saben si los tipos de células adecuadas crecerán cuando se utilicen células iPS para recapitular el desarrollo embrionario en un armazón cardíaco adulto.

OTT LAB / HOSPITAL GENERAL DE MASSACHUSETTS

Un corazón humano descelularizado espera la reconstrucción con una inyección de células precursoras.

A medida que colonizan el armazón, algunas de las células inmaduras echarán raíces y comenzarán a crecer. Pero instarlos a que se conviertan en cardiomiocitos funcionales y eficaces requiere algo más que medios oxigenados y factores de crecimiento. «Las células detectan su entorno», dice Angela Panoskaltsis-Mortari, que ha estado tratando de construir pulmones para trasplantes en la Universidad de Minnesota en Minneapolis. «No solo sienten los factores. Sienten la rigidez y el estrés mecánico», que a su vez empuja a las células hacia abajo en su camino de desarrollo adecuado.

Por lo tanto, los investigadores deben colocar el corazón en un biorreactor que imite la sensación de latido. Los biorreactores de Ott utilizan una combinación de señales eléctricas, similares a un marcapasos, para ayudar a sincronizar los cardiomiocitos palpitantes sembrados en el armazón, combinados con movimientos palpitantes físicos inducidos por una bomba (consulte «Órganos personalizados»). Pero los investigadores enfrentan una batalla constante para tratar de imitar las condiciones presentes en el cuerpo humano, como los cambios en la frecuencia cardíaca y la presión arterial, o la presencia de medicamentos. «El cuerpo reacciona a las cosas y cambia las condiciones tan rápidamente que probablemente sea imposible imitar eso en un biorreactor», dice Badylak.

Cuando Taylor y Ott desarrollaron por primera vez biorreactores, para corazones de rata descelularizados y repoblados, tuvieron que aprender a medida que avanzaban. «Había mucha cinta adhesiva en el laboratorio», dice Ott. Pero finalmente los corazones pudieron latir por sí solos después de ocho a diez días en el biorreactor, produciendo aproximadamente el 2% de la capacidad de bombeo de un corazón normal de rata adulta1. Taylor dice que desde entonces ha conseguido corazones de ratas y mamíferos más grandes para bombear con hasta un 25% de su capacidad normal, aunque aún no ha publicado los datos. Ella y Ott confían en que están en el camino correcto.

El latido

El desafío final es uno de los más difíciles: convertir un corazón recién crecido y diseñado en un animal vivo y mantenerlo latiendo durante mucho tiempo.

La integridad de la vasculatura es la primera barrera. Cualquier trozo de matriz desnudo sirve como caldo de cultivo para coágulos que podrían ser fatales para el órgano o el animal. «Vas a necesitar un endotelio bastante intacto que recubre cada vaso o vas a tener coagulación o fugas», dice Gilbert.

La Ott ha demostrado que los órganos diseñados pueden sobrevivir por un tiempo. Su grupo ha trasplantado un solo pulmón con ingeniería biológica a una rata, lo que demuestra que podría soportar el intercambio de gases para el animal, pero el espacio aéreo se llenó con bastante rapidez de fluidos4. Y un trasplante de riñón de rata diseñado que el grupo de Ott informó a principios de este año sobrevivió sin coagulación, pero solo tenía una capacidad mínima para filtrar la orina, probablemente porque el proceso no había producido suficientes tipos de células necesarias para el kidney5 (ver Nature http://doi.org/m2r; 2013). El equipo de Ott y otros han implantado corazones reconstruidos en ratas, generalmente en el cuello, en el abdomen o junto al corazón del propio animal. Pero aunque los investigadores pueden alimentar los órganos con sangre y hacer que latan por un tiempo, ninguno de los corazones ha sido capaz de soportar la función de bombeo de la sangre. Los investigadores necesitan demostrar que un corazón tiene una capacidad de funcionamiento mucho mayor antes de poder trasplantarlo a un animal más grande que una rata.

Con el corazón, dice Badylak, «tienes que comenzar con algo que pueda funcionar bastante bien» desde el momento en que el trasplante está en su lugar. «No se puede tener algo que bombee solo 1, 2 o 5% de la fracción de eyección del corazón normal y esperar hacer una diferencia», dice, refiriéndose a una medida común de la eficiencia de bombeo. Hay poco margen de error. «Solo estamos dando pequeños pasos», dice Panoskaltsis-Mortari. «Estamos donde estaban las personas con trasplante de corazón hace décadas.»

El proceso de descelularización que está cultivando Ott y otros ya está informando el desarrollo de válvulas basadas en tejidos mejorados y otras partes del corazón y otros órganos. Una válvula de ingeniería biológica, por ejemplo, puede durar más que las válvulas mecánicas o de tejido muerto porque tienen el potencial de crecer con un paciente y repararse por sí mismas. Y es posible que no sea necesario reemplazar por completo otros órganos. «Me sorprendería que en los próximos 5-7 años no vea al paciente implantado al menos parte de una arteria, lóbulos de un pulmón, lóbulos de un hígado», dice Badylak.

Taylor sospecha que los abordajes parciales podrían ayudar a los pacientes con defectos cardíacos graves, como el síndrome hipoplásico del corazón izquierdo, en el que la mitad del corazón está severamente subdesarrollado. Restaurar la otra mitad, «esencialmente te obliga a construir la mayoría de las cosas que necesitas», dice.

Y estos esfuerzos podrían contener lecciones para el desarrollo de terapias celulares entregadas al corazón. Los investigadores están aprendiendo, por ejemplo, cómo se desarrollan y funcionan las células cardíacas en tres dimensiones. En el futuro, los armazones parciales, ya sean sintéticos o de cadáveres, podrían permitir que nuevas células poblen las áreas dañadas de los corazones y las reparen como parches.

Los frascos de órganos flotantes fantasmales pueden parecer un eco horripilante de la historia de Frankenstein, pero Taylor dice que su trabajo es un trabajo de amor. «Hay algunos días en los que digo: ‘Oh, Dios mío, ¿en qué me he metido? Por otro lado, todo lo que se necesita es que un niño te llame, diciendo: «¿Puedes ayudar a mi madre? y hace que todo valga la pena.»