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Ingeniería de tejidos vasculares: progreso, desafíos y promesa clínica

Aunque la demanda clínica de vasos sanguíneos modificados por ingeniería genética sigue aumentando, las opciones actuales para conductos vasculares siguen siendo limitadas. La combinación sinérgica de avances emergentes en la fabricación de tejidos y la ingeniería de células madre, promete nuevas estrategias para la ingeniería de vasos sanguíneos autólogos que recapitulan, no solo las propiedades mecánicas de los vasos nativos, sino también su función biológica.

Hoy explicaremos los avances recientes de la bioingeniería en la creación de microvasos y microvasos sanguíneos funcionales, particularmente con células madre como fuente. También destacamos el progreso en la integración de los tejidos vasculares de ingeniería con el huésped después de la implantación, así como las emocionantes aplicaciones preclínicas y clínicas de esta tecnología.

Las enfermedades isquémicas, como la enfermedad cardiovascular aterosclerótica (ECV), siguen siendo una de las principales causas de mortalidad y morbilidad en todo el mundo (GBD 2015 Mortality and Causes of Death Collaborators, 2016, Mozaffarian et al., 2016). Estas enfermedades han dado lugar a una demanda siempre persistente de conductos vasculares para reconstruir o eludir las oclusiones vasculares y los aneurismas. Los injertos sintéticos para reemplazar los vasos arteriales ocluidos se introdujeron por primera vez en la década de 1950 después de las complicaciones quirúrgicas asociadas con los vasos de extracción, la frecuente escasez de injertos alogénicos y el rechazo inmunológico de los grandes vasos de origen animal. Sin embargo, a pesar de los avances en farmacología, ciencia de materiales y fabricación de dispositivos, estos injertos vasculares sintéticos no han disminuido significativamente la mortalidad y morbilidad general (Nugent y Edelman, 2003, Prabhakaran et al., 2017). Los injertos sintéticos siguen presentando una serie de deficiencias que han limitado su impacto. Estas deficiencias incluyen bajas tasas de permeabilidad para los vasos de pequeño diámetro (<6 mm de diámetro), la falta de potencial de crecimiento para la población pediátrica que requiere intervenciones repetidas y la susceptibilidad a la infección. Además del injerto, también se necesitan conductos vasculares para situaciones clínicas como la hemodiálisis, que implica grandes volúmenes de sangre que deben extraerse y distribuirse nuevamente a un paciente varias veces a la semana durante varias horas

Además de las complicaciones vasculares a gran escala, también surgen enfermedades isquémicas a nivel de microvasculatura (<1 mm de diámetro), donde la sustitución de las arterias aguas arriba no abordaría las necesidades de reperfusión de los tejidos aguas abajo (Hausenloy y Yellon, 2013, Krug et al. 1966). La microvascularización ha demostrado ser un paso crítico durante la regeneración y la curación de heridas, donde el retraso de la perfusión de la herida (en pacientes diabéticos, por ejemplo) ralentiza significativamente la formación del tejido de granulación y puede provocar una infección y ulceración graves (Baltzis et al. , 2014, Brem y Tomic-Canic, 2007, Randeria et al., 2015).

Para diseñar injertos avanzados, es importante tener en cuenta los componentes estructurales de un vaso sanguíneo, ya que se requiere comprender estos elementos para un diseño racional del biomaterial y elegir una fuente celular adecuada. Muchos de los diferentes lechos de vasos sanguíneos también comparten algunas características estructurales comunes. Las arterias, venas y capilares tienen una túnica íntima compuesta por células endoteliales (CE) que regulan la coagulación, confieren permeabilidad selectiva y participan en el tráfico de células inmunitarias (Herbert y Stainier, 2011, Potente et al., 2011). Las arterias y venas están además unidas por una segunda capa, la túnica media, que está compuesta de células del músculo liso (SMC), colágeno, elastina y proteoglicanos, que confieren fuerza al vaso y actúan como efectores del tono vascular. Las arteriolas y vénulas, que son equivalentes de menor calibre de arterias y venas, están formadas por solo unas pocas capas de CML, mientras que los capilares, que son los vasos más pequeños, tienen pericitos que colindan con la capa única de CE y membrana basal. La ingeniería del tejido vascular ha evolucionado para generar construcciones que incorporan la funcionalidad de estas capas estructurales, soportan los estreses fisiológicos inherentes al sistema cardiovascular y promueven la integración en el tejido del huésped sin un rechazo inmunológico creciente (Chang y Niklason, 2017).

Una fuente celular adecuada también es crítica para ayudar a impartir estabilidad estructural y facilitar la integración in vivo. Las células autólogas derivadas de pacientes son una fuente potencial de células que ha despertado interés debido a su potencial para minimizar el rechazo de injertos. Sin embargo, aislar y expandir células primarias viables a una escala terapéuticamente relevante puede ser limitado dado que los pacientes con enfermedad arterial avanzada probablemente tengan células con crecimiento reducido o potencial regenerativo. Con el avance de la tecnología de células madre (SC) y las herramientas de edición de genes como CRISPR, las células madre pluripotentes adultas e inducidas autólogas (iPSCs) están emergiendo como fuentes alternativas prometedoras de CE y SMC perivasculares que se pueden incorporar a la vasculatura modificada (Chan et al. al., 2017, Wang et al., 2017).

De manera importante, una fuente celular viable sola no es suficiente para la eficacia terapéutica. Aunque las células vasculares pueden contribuir con factores paracrinos y tener capacidad regenerativa, la mera administración de una mezcla dispersa de CE al tejido del huésped ha demostrado un éxito limitado en la formación de la vasculatura o la integración con la vasculatura del huésped (Chen et al., 2010). Por lo tanto, los recientes esfuerzos de ingeniería de tejidos se han centrado en la recreación de la arquitectura y la función de la vasculatura in vitro antes de la implantación, con la hipótesis de que los injertos y tejidos prevascularizados mejoran la integración con el huésped. En esta revisión, exploramos los avances recientes en la fabricación de vasos sanguíneos de diversos calibres, desde vasos arteriales individuales hasta lechos vasculares compuestos de microvasos, y cómo estos esfuerzos facilitan la integración de la vasculatura implantada dentro de un huésped. También discutimos en qué medida se han incorporado EC y SMCs derivados de SC a estos tejidos de ingeniería.

Aplicaciones clínicas

La primera aplicación clínica exitosa reportada de TEBV en pacientes fue realizada por Shin’oka et al., Quienes implantaron una andamiaje biodegradable como un conducto pulmonar en un niño con atresia pulmonar y anatomía de ventrículo único (Shin’oka et al., 2001). El andamiaje estaba compuesto por una mezcla polimérica sintética de L-láctido y e-caprolactona, y se reforzó con PGA y se sembró con células madre mesenquimales derivadas de médula ósea autóloga (BM-MSC). Los autores demostraron la permeabilidad y la supervivencia del paciente 7 meses después del implante, y ampliaron su estudio a una serie de 23 TEBV implantados y 19 reparaciones de parche de tejido en pacientes pediátricos (Hibino et al., 2010). Se observó que no tenían mortalidad relacionada con el injerto, y cuatro pacientes necesitaron intervenciones para aliviar la estenosis con un seguimiento medio de 5,8 años.

La primera tecnología basada en láminas para sembrar células autólogas cultivadas, desarrollada por L’Heureux et al., Fue repetida por el grupo para inducir células cultivadas de fibroblastos en un período de maduración de 10 semanas y producir túbulos de ECM endógena durante un tiempo de producción que varía entre 6 y 9 meses. Se deshidrataron y proporcionaron una capa adventicia viva antes de sembrar los constructos con EC (L’Heureux et al., 2006). Su TEBV, llamado injerto Lifeline, se implantó en 9 de 10 pacientes inscritos con enfermedad renal en etapa terminal en hemodiálisis e injertos de acceso defectuoso en un ensayo clínico. Seis de los nueve pacientes sobrevivientes tenían injertos patentes a los 6 meses, mientras que los injertos restantes fallaban debido a trombosis, rechazo y fracaso (McAllister et al., 2009).

Un intento de crear una versión “estándar” de este injerto en el que los andamios prefabricados y congelados se sembraron con endotelio fallaron  debido a la estenosis, y un paciente falleció debido a infección de injerto (Benrashid et al., 2016).

Más recientemente, se informaron resultados para el ensayo de fase II del vaso de ingeniería descelularizado Humacyte en pacientes con enfermedad renal en etapa terminal quirúrgicamente inadecuados para la creación de fístulas arteriovenosas (Lawson et al., 2016). Este escenario clínico ofrece una población de pacientes relativamente cautiva en la que es poco probable que las complicaciones del injerto sean una extremidad o una amenaza para la vida, y las tasas de eventos infecciosos y trombóticos para los materiales tradicionales como ePTFE son altas (Haskal et al., 2010). Los fabricantes sembraron un andamio PGA de 6 mm con SMC de donantes fallecidos de órganos y tejidos y descelularizaron el andamio después de la producción de ECM en una incubadora acoplada con una bomba pulsátil antes de la implantación. Humacyte demostró un 63% de permeabilidad primaria a los 6 meses, un 28% a los 12 meses y un 18% a los 18 meses después del implante en 60 pacientes. Diez injertos fueron abandonados. Sin embargo, la permeabilidad de 12 meses y la tasa media de procedimiento de 1,89 por paciente-año para restablecer la permeabilidad fueron comparables con los injertos de PTFE, mientras que se observaron tasas de permeabilidad secundarias más altas (89% versus 55% -65% al ​​año) (Huber et al. , 2003, Lok et al., 2013). Aunque Humacyte no reveló una sensibilización inmune y una tasa de infección menor que los PTFE (informó hasta el 12%) (Akoh y Patel, 2010), queda mucho trabajo por hacer para mejorar la permeabilidad primaria y reducir la necesidad de intervenciones.

 

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