miniaturadeimagen|Ilustración de cómo funciona la membrana semipermeable en la microencapsulación celular. La tecnología de microencapsulamiento celular implica la inmovilización de una célula entera dentro de una membrana semipermeable polímerica, que permita la difusión bidireccional de moléculas, tales como la afluencia de oxígeno, nutrientes, factores de crecimiento, etc, los cuales son esenciales para el metabolismo celular, así como la salida de desechos y proteínas terapéuticas. Al mismo tiempo, la naturaleza semipermeable de la membrana previene que las células del sistema inmunitario y anticuerpos destruyan a la célula encapsulada al considerarla un elemento ajeno al cuerpo.
El principal motivo de la tecnología de «encapsulación celular» es sobrepasar el problema existente del rechazo de injertos en las aplicaciones de la ingeniería de tejidos y así reducir la necesidad del uso prolongado de inmunosupresores después de un trasplante de órgano para controlar los efectos secundarios.
Historia
En 1933 Vincenzo Bisceglie hizo el primer intento para encapsular células en una membrana polimérica. Él demostró que una célula en una estructura polimérica tumoral trasplantada a la cavidad abdominal de un cerdo permanecía viable por un periodo extendido sin ser rechazada por el sistema inmune.
Treinta y un años después, en 1964, la idea de encapsular células dentro de microcápsulas de membranas poliméricas ultradelgadas para proveer de inmunoprotección a células, fue propuesta por Thomas Chang, quien acuñó el término de «célula artificial» para definir el concepto de bioencapsulación. Él sugirió que las células artificiales producidas por un método de goteo, no solo protegían a las células encapsuladas sino que también daban una relación de superficie a volumen lo bastante grande para una buena transferencia de oxígeno y nutrientes. Veintidós años después, esta aproximación fue exitosamente puesta en práctica en modelos con animales pequeños, cuando microcápsulas de algín-polilisina-algín (APA) fueron desarrollados para inmovilizar xenoinjertos de células de islotes pancreáticos. Este estudio demostró que los islotes microencapsulados e implantados en ratas diabéticas se mantuvieron viables y controlaron los niveles de glucosa por varias semanas. Las pruebas en humanos utilizando células encapsuladas fueron conducidas en 1998. Células encapsuladas expresando la enzima citocromo P450 para activar localmente un profármaco antitumoral, fueron utilizadas en cáncer pancreático. Aproximadamente se dobló el tiempo de supervivencia comparado con controles históricos.
La microencapsulación celular como herramienta en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa Muchas preguntas podrían surgir del porqué son requeridas las técnicas de encapsulamiento celular si existen productos terapéuticos que pueden ser injertados en el sitio. Una razón importante es que las células encapsuladas podrían liberar de manera continua y por mayor tiempo productos terapéuticos en el mismo sitio de la implantación. Otra ventaja de las técnicas de microencapsulación es que permiten cargar células no humanas y genéticamente modificadas dentro de la matriz polimérica, esto cuando la disponibilidad de células de donadores es limitada. La microencapsulación es una valiosa técnica local, regional y oral para proporcionar productos terapéuticos, ya que puede ser implantada en múltiples tejidos y órganos. Para tratamientos prolongados de transporte de fármacos a los sitios de tratamiento, la implantación de estos, en células artificiales es en cuanto a costos más eficiente en comparación a la administración directa. Por otra parte, la posibilidad de implantar células artificiales con composiciones químicas similares a múltiples pacientes desconsiderando su antígeno leucocitario permitiría de igual manera la reducción de costos.
Parámetros clave de la tecnología de microencapsulación
El potencial que tiene el uso de células microencapsuladas para aplicaciones exitosas en la clínica solo se puede realizar si se optimizan varios requerimientos en el desarrollo del proceso, como el uso adecuado de polímeros biocompatibles para la formación de una matriz semipermeable químicamente y mecánicamente estable, la producción de microcápsulas uniformes en tamaño, uso apropiado de policationes inmunocompatibles reticulados al polímero de encapsulación para la estabilización de las cápsulas y la selección de un tipo de célula adecuado dependiendo de la situación.
Biomateriales El uso del mejor biomaterial, dependiendo de la aplicación, es crucial en el desarrollo de un sistema de administración de fármacos en ingeniería de tejidos. El polímero alginato es el de uso más común gracias a su temprano descubrimiento, fácil adquisición y a un bajo costo. Sin embargo, otros materiales como el sulfato de celulosa, colágeno, quitosano y agarosa también se han empleado.
Alginato
Muchos grupos han estudiado de manera extensiva los polímeros sintéticos y naturales con el propósito de desarrollar los biomateriales más adecuados para la microencapsulación celular. Trabajos extensivos han sido desarrollados con el uso de alginato como el biomaterial más adecuado para el encapsulamiento celular gracias a su abundancia, su excelente bicompatibilidad y propiedades biodegradables. El alginato es un polímero natural que puede ser extraído de algas y bacterias con numerosas composiciones sobre la base de dónde se obtenga.
El alginato no está exento de críticas. Muchos investigadores creen que el alginato con alto contenido en -M, puede producir una respuesta inflamatoria. y un crecimiento celular anormal. Mientras otros han establecido que el alginato con altos contenidos -G provoca un crecimiento excesivo de células y reacciones inflamatorias in vivo comparado con alginatos con niveles -G intermedios. Incluso alginatos ultrapuros pueden contener endotoxinas y polifenoles que pueden comprometer la biocompatibilidad de la microcápsula resultante. Se ha demostrado que incluso con procesos de purificación que reduzcan los niveles de endotoxinas y polifenoles en el aliginato, es muy difícil reducir el contenido proteico. y también el proceso podría producir cambios en el biomaterial. En consecuencia es esencial que se elaboren procesos efectivos de purificación para así remover todos los contaminantes contenidos en el alginato, antes de utilizarse en aplicaciones clínicas.
Modificaciones y funcionamiento del alginato
Investigadores han sido capaces de desarrollar microcápsulas de alginato con formas alternas de este, con biocompatibilidad mejorada y mayor resistencia a hinchazón osmótica. Otro enfoque para mejorar la biocompatibilidad del material de la membrana es a través de la modificación superficial de la cápsula con el uso de péptidos y moléculas proteicas que controlan la proliferación y el cambio de diferenciación de la célula encapsulada. Un grupo que ha trabajado excesivamente en la unión de la secuencia de aminoácidos Arg-Gly-Asp (RGD) a hidrogeles de aliginato hizo evidente que el comportamiento celular puede ser controlado por la densidad del RGD unido al gel de aliginato. La diferenciación y el crecimiento de las células cargadas puede ser controlado por micropartículas de alginato cargadas con mioblastos y RGD funcionalizados. Otro factor vital que controla el uso de microcápsulas celulares en aplicaciones clínicas es el desarrollo de policationes convenientes, inmunocompatibles, que cubran las perlas altamente porosas de alginato y así estabilizar y proteger a las cápsulas del sistema inmune. La poli-L-lisina (PLL) es el policatión de mayor uso, pero su poca biocompatibilidad restringe su uso clínico, ya que atrae células inflamatorias, provocando necrosis en las células cargadas. Estudios han revelado que las cápsulas de alginato-PLL-alginato (APA) tienen poca estabilidad mecánica y por ello poco tiempo de durabilidad. Por ende, se han buscado alternativas al PLL que han demostrado resultados prometedores con poli-L-ornitina y poli(metileno-co-guanidina) clorohidrato al fabricar microcápsulas duraderas con alta y controlable fuerza mecánica para el encapsulamiento celular.
Muchos grupos también han investigado el uso de quitosano que es un policatión de origen natural y puede ser un reemplazo potencial del PLL para producir microcápsulas de alginato-quitosano (AC, por sus siglas en inglés) para aplicaciones de distribución celular No obstante, otros estudios muestran a la membrana de AC con una estabilidad, nuevamente, limitada y un grupo demostró que las modificaciones de las microcápsulas de alginato-quitosano con genipina, un glucósido iridoide encontrado en frutas de gardenia para formar microcápsulas de genipina reticulado alginato-quitosano (GCAC) puede aumentar su estabilidad.
Colágeno El colágeno es un componente proteico que brinda soporte a tejidos como la piel, los cartílagos, huesos, vasos sanguíneos y ligamentos, y por lo tanto es considerado una plataforma de modelo o una matriz para la ingeniería de cultivo, debido a sus propiedades biocompatibles, biodegradables y su habilidad para promover la unión de células. Esta habilidad permite que el quitosano controle la distribución de células hacía el interior de un sistema polimérico. En consecuencia, el colágeno de tipo I, obtenido de tejidos animales es comercializado de forma exitosa como un biomaterial de la ingeniería tisular con múltiples aplicaciones. El colágeno también ha sido utilizado en la reparación de nervios e ingeniería vesicular. La inmunogenicidad ha limitado su uso. La gelatina fue considerada para sustituirle por tal razón.
Gelatina La gelatina es elaborada por la desnaturalización del colágeno, sus propiedades de ser biodegradable, biocompatible, sin inmunogenicidad en ambientes fisiológicos y ser fácilmente procesable hacen de este polímero una buena opción para aplicaciones de ingeniería de tejidos. En este ámbito es usada para la piel, huesos y cartílagos y, comercialmente, para reemplazos de piel.
Quitosano El quitosano es un polisacárido compuesto con uniones β-(1-4) de D-glucosamina (unidad deacetiliada) y N-acetil-D-glucosamina (unidad acetilada) distribuidas de forma aleatoria. Proviene de la N-deacetilación de la quitina y ha sido utilizada para diversas aplicaciones, por ejemplo, la administración de fármacos, implantes de relleno y para cobertura de heridas. Sin embargo, un inconveniente de este polímero es sus débiles propiedades mecánicas, por ello es combinado con otros polímeros como el colágeno, que presenta mayor fuerza mecánica para aplicaciones de encapsulación celular.
Agarosa La agarosa es un polisacárido derivado de algas marinas usado para nanoencapsulación de células y la suspensión célula/agarosa, puede ser modificada para formar microperlas al reducir la temperatura en el momento de preparación. No obstante, un inconveniente surge al existir la probabilidad de protrusión celular a través de la pared polimérica matricial, después de la formación de las cápsulas.
Sulfato de celulosa