60: Ingeniería de Tejidos—Estado Actual y Futuro

Este capítulo durará aproximadamente 18 minutos para leer.

Por Darren Ha, MS 1  & Kelly T. Harris, MD 2, 3
  1. University of Colorado School of Medicine, Aurora, CO, USA
  2. Department of Pediatric Urology, Children's Hospital Colorado, Aurora, CO, USA
  3. Department of Surgery, Division of Urology, University of Colorado, School of Medicine, Aurora, CO, USA

Introducción

La ingeniería de tejidos es la ciencia de trasplantar células o de dirigir la regeneración de células sanas para crear tejidos u órganos que imiten la forma y la función nativas para tratar una amplia gama de enfermedades.1 La ingeniería de tejidos en el campo de la urología pediátrica se ha centrado principalmente en regenerar tejido vesical y uretral para sustitución o aumento.2,3,4 El uso actual del intestino para el reemplazo y el aumento vesical conlleva riesgos y complicaciones significativos, incluyendo obstrucción intestinal, alteraciones metabólicas, formación de cálculos, producción de moco, incontinencia urinaria e infecciones recurrentes.3,4 El uso de injertos mucosos o cutáneos para la sustitución y el aumento uretrales conlleva riesgos tales como estenosis, fístulas, fracaso del injerto, contractura del injerto, morbilidad del sitio donante y recurrencia de la curvatura peneana.5,6 La ingeniería de tejidos ofrece la promesa de proporcionar alternativas duraderas para los niños.

El trabajo en este campo ha progresado desde el crecimiento de estos tejidos ex vivo hasta estudios en animales y ensayos más recientes en un número limitado de pacientes pediátricos. Si bien ha habido avances significativos en andamios y cultivos celulares, junto con resultados prometedores de estudios en animales, persisten barreras que limitan la aplicación de esta tecnología a un uso a gran escala en pacientes. Esta revisión tiene como objetivo resumir y presentar los resultados clínicos de los trabajos en ingeniería de tejidos en el ámbito de la urología pediátrica y discutir las barreras y las direcciones futuras en este campo.

Biomateriales y células

Los principios de la ingeniería de tejidos establecen la necesidad de un andamio y de células sembradas para poblar dicho andamio.7 Existen numerosos andamios y se han utilizado en la ingeniería de tejidos urológica, incluida la submucosa del intestino delgado acelular (SIS), el colágeno y la malla compuesta de colágeno-ácido poliglicólico (PGA).2,8 Los trabajos para generar una matriz extracelular vesical descelularizada (BEM) utilizando vejigas porcinas también han mostrado éxito, con una eliminación satisfactoria de células y material genético sin afectar la estructura subyacente de colágeno o elastina, y con preservación de las propiedades angiogénicas.9

Las fuentes de células sembradas pueden incluir células uroteliales autólogas y células madre. Si bien las células autólogas pueden obtenerse de una biopsia vesical y expandirse in vitro, la patología vesical subyacente es una limitación potencial, ya que las células de vejigas enfermas presentaron una menor supervivencia en cultivo celular en comparación con los controles de vejigas adultas sanas. Además, se demostró que el urotelio de vejigas con patología formaba bordes epiteliales más débiles y menos eficaces.10 También se han investigado numerosas células madre, incluidas las derivadas de la médula ósea, las mesenquimales, las derivadas de orina, las embrionarias y las células madre pluripotentes inducidas.11,12,13 El proceso se describe en la Figura 1.

Figura 1
Figura 1 Diagrama esquemático del proceso para obtener células del huésped (a), expandirlas in vitro e implantarlas sobre un andamio tisular adecuado (b), y luego implantarlas en el cuerpo (c).

Vascularización de órganos bioingenierizados

Similar al tejido nativo, la supervivencia de las células sembradas sobre andamios depende de una vascularización adecuada. Las innovaciones en biomateriales han permitido la creación de constructos de mayor tamaño que invariablemente superan el límite de difusión de gases y nutrientes.14 Una vez implantados, el establecimiento de una red vascular puede llevar semanas, dependiendo del tamaño del injerto, durante las cuales las células trasplantadas pueden experimentar hipoxia y/o deficiencias de nutrientes. Además, el proceso de angiogénesis puede dar lugar a la formación de gradientes de oxígeno y/o nutrientes que favorecen de manera preferente el crecimiento de las células superficiales y pueden traducirse en un crecimiento no uniforme de las matrices y en una posible debilidad estructural.15 Las estrategias para superar las limitaciones de tamaño de los órganos bioingenierizados incluyen: la prevascularización de los andamios antes de la siembra celular, la siembra de los andamios tanto con células a trasplantar como con células endoteliales y la adición de factores angiogénicos antes de la implantación del injerto.16 Otra opción que ha mostrado potencial es el uso de un envoltorio omental sobre el tejido vesical implantado para que actúe como pedículo vascular; la capacidad funcional de estos injertos puede considerarse, en cierto modo, un indicador indirecto de la supervivencia y la función celulares.17 Sin embargo, esta última opción no es factible para matrices implantadas fuera del alcance del omento. Se requiere trabajo adicional para abordar esta cuestión de la viabilidad vascular del tejido bioingenierizado, especialmente cuando se persigue la regeneración de órganos completos.

Estudios en animales y humanos en la ingeniería de tejidos de la vejiga

Estudios previos en animales sobre la regeneración vesical han mostrado resultados alentadores con el uso exclusivo de andamios sin células. Caione et al estudiaron el uso de un andamio de SIS para el recrecimiento vesical en un modelo porcino de cistectomía parcial. Se extirpó entre el 40 y el 60% de la pared vesical de seis lechones y se sustituyó por un andamio de SIS. Se observó que vasos sanguíneos migraban desde las vejigas nativas hacia el injerto cinco semanas después de la cirugía. El examen histológico del injerto a los tres meses demostró epitelio transicional, músculo liso y nervios. Los injertos presentaron una relación colágeno:músculo liso de 72:28 en comparación con 56:44 en las vejigas nativas, en consonancia con la ausencia de aumento de la capacidad y la distensibilidad vesical en todos los animales.18 En un estudio posterior de Roelofs et al, compararon el uso de andamios de colágeno para la ampliación vesical en un modelo ovino de extrofia vesical frente a vejigas ovinas sanas. Al mes postoperatorio, las vejigas de los corderos con extrofia tenían menor capacidad y distensibilidad en comparación con las vejigas sanas aumentadas. Además, los injertos vesicales de los controles sanos presentaban mayor neovascularización y músculo liso en comparación con los injertos de los corderos con extrofia vesical. A los seis meses del postoperatorio, los volúmenes vesicales fueron similares entre ambos, pero la distensibilidad seguía siendo menor en el modelo de extrofia; por su parte, las vejigas regeneradas presentaron un urotelio similar con recrecimiento nervioso en ambos grupos.19 Los resultados del postoperatorio temprano corroboran los estudios in vitro de regeneración afectada en vejigas con patología subyacente; sin embargo, los hallazgos a los seis meses del postoperatorio pueden ser una señal tranquilizadora de un potencial a más largo plazo, aunque hay estudios limitados que lo sustenten.10

Impulsados por los éxitos iniciales en estudios con animales, se realizaron estudios piloto en un número limitado de niños para evaluar el uso tanto de andamios con células sembradas como de andamios no sembrados para la regeneración vesical. Caione et al evaluaron el uso de andamios SIS no sembrados en cinco pacientes pediátricos que no deseaban aumento vesical con segmentos intestinales tras la reparación del complejo extrofia-epispadias. Histológicamente, se observó migración de los tres tipos de tejido hacia el andamio, incluido crecimiento nervioso. Las porciones injertadas de las vejigas presentaron una mayor proporción de colágeno respecto a músculo en comparación con las vejigas nativas. No hubo cambios significativos en las presiones de punto de fuga vesical tras la colocación del injerto, pero tres de los cinco pacientes presentaron mejoras en su capacidad vesical a los seis meses del postoperatorio. Hubo un aumento general del intervalo entre episodios de incontinencia y un incremento progresivo de los volúmenes vesicales en todos los pacientes dos a tres años después de la cirugía. Sin embargo, ningún paciente alcanzó continencia urinaria completa.20

Un estudio de 2006 de Atala y colegas utilizó la siembra autóloga de andamios para cistoplastia en siete pacientes pediátricos con antecedente de mielomeningocele que presentaban vejigas de alta presión y baja complacencia. A los pacientes se les realizó evaluación cistoscópica con biopsia vesical para obtener muestras destinadas a la expansión celular in vitro. Las células se sembraron sobre andamios de malla de colágeno o de colágeno-PGA y se anastomosaron con o sin envoltura omental. No hubo complicaciones postoperatorias y se realizó seguimiento a los pacientes por una media de 46 meses. Durante los primeros 3-12 meses del postoperatorio, las presiones del punto de fuga vesical disminuyeron en todos los pacientes, mientras que la capacidad y la complacencia mostraron respuestas variables en comparación con los hallazgos urodinámicos preoperatorios. En el subconjunto de pacientes que recibió aumento con andamios de colágeno-PGA con envoltura omental, se observó un aumento de 1.58 veces en la capacidad vesical postoperatoria, lo cual no se observó en los andamios de colágeno con o sin envoltura omental. Desde el punto de vista funcional, todos los pacientes se beneficiaron de un aumento en el intervalo seco diurno promedio. En el examen histológico de los injertos vesicales, el límite entre la vejiga nativa y la implantada era indistinguible y las tres capas tisulares eran evidentes a los 31 meses después de la cirugía. Cabe destacar que no hubo evidencia de reinervación, ya que todos los pacientes tuvieron que realizar cateterismo intermitente limpio.17

A pesar de estos resultados prometedores, un estudio prospectivo de fase II posterior que utilizó un protocolo de ingeniería tisular similar, incluida la envoltura con epiplón, no pudo replicar estos resultados. Los autores evaluaron el uso de andamios sembrados con células autólogas para la cistoplastia de aumento en niños con vejiga neurógena (VN) secundaria a espina bífida en cuatro hospitales pediátricos de tercer nivel. Cuatro de los 10 pacientes presentaron una disminución de la capacidad vesical al año de la cirugía, sin retorno al valor basal preoperatorio incluso después de 36 meses. A los 36 meses tras la cirugía no hubo un aumento convincente ni consistente de la capacidad vesical ni de la complacencia vesical, y los cambios urodinámicos no fueron ni estadística ni clínicamente significativos. Cabe destacar que cuatro de los 10 pacientes tuvieron eventos adversos posoperatorios significativos (p. ej., obstrucción intestinal y/o rotura vesical). Finalmente, cinco de los 10 pacientes se sometieron a una enterocistoplastia de aumento tradicional. Los autores concluyeron que su intervención no produjo una mejoría estadística ni clínica en general y se asoció con tasas altas de eventos adversos.21 Los resultados divergentes en estos dos estudios probablemente sean multifactoriales. Los pacientes de la cohorte de Atala constituían un subconjunto muy selecto de pacientes, lo que limita la aplicabilidad de esta técnica.22 Otros han postulado que la ausencia de un ciclado vesical normal antes de la cirugía puede predisponer a los pacientes al fracaso del implante, excluyendo así a una gran proporción de pacientes con patología vesical para quienes está destinada esta terapia.23

Los resultados de estudios en animales demostraron una eficacia potencial en la ingeniería vesical, con neoformación de epitelio, músculo liso, vasculatura y tejido nervioso. Sin embargo, el tejido regenerado no se parecía histológicamente a las vejigas nativas debido a una fibrosis excesiva. El progreso inicial en animales aún no se ha traducido en un éxito rotundo en ensayos con un número limitado de pacientes. La evidencia de una histología vesical satisfactoria fue equívoca y los resultados clínicos no fueron mejores que con la cistoplastia de aumento tradicional.24,25

Estudios en animales y humanos en la ingeniería tisular uretral

Dado que la función principal de la uretra es servir como conducto para el paso de la orina desde la vejiga hasta el medio externo, el parámetro de éxito en la ingeniería de tejidos uretrales se ha medido principalmente en función de la integridad y la permeabilidad de los injertos, más que por el recrecimiento histológico de los tipos tisulares, como ocurre en la ingeniería vesical.3 En urología pediátrica existen diversas técnicas de reconstrucción uretral, que incluyen la anastomosis primaria y los injertos cutáneos y mucosos.5,26 Se está explorando la ingeniería de tejidos como alternativa a estos métodos, en particular para la reparación de defectos más largos.

Dorin et al investigaron la longitud máxima de regeneración de tejido uretral nativo que podía lograrse con un onlay uretral de injertos tubulares de submucosa vesical no sembrados en conejos. Encontraron crecimiento urotelial normal y permeabilidad luminal en el injerto de 0,5 cm a una, dos y cuatro semanas posoperatorias. Los injertos de 1, 2 y 3 cm desarrollaron estenosis a las cuatro semanas de la cirugía. Solo los injertos de 0,5 cm de longitud presentaron una incorporación adecuada de epitelio y músculo liso; todas las demás longitudes presentaron fibrosis. Se concluyó que los injertos tubulares no sembrados podían reparar una longitud máxima de defecto uretral de 0,5 cm.27

Un estudio posterior de Orabi y colaboradores comparó la eficacia de matrices sembradas con células frente a matrices no sembradas en la reparación de defectos uretrales de 6 cm en perros. Las células utilizadas para la siembra se obtuvieron mediante biopsia vesical para expansión celular autóloga. Las matrices sembradas con células permanecieron permeables 12 meses después de la cirugía, mientras que las matrices no sembradas desarrollaron estenosis a los tres meses. Las matrices sembradas presentaban capas completas de urotelio y músculo liso, de las que carecían las matrices no sembradas. Se planteó la hipótesis de que el éxito de las matrices sembradas se debía, en parte, a una capa inicial de células uroteliales protectoras que limitaba la extravasación de orina hacia el espacio subepitelial, causante de fibrosis posterior.28

En un ensayo clínico temprano en humanos de ingeniería tisular uretral, Fossum et al investigaron el uso de andamios de colágeno sembrados con células autólogas para el tratamiento de hipospadias severo en seis niños de 14-44 meses de edad, con 3-5,5 años de seguimiento. Cinco de los seis pacientes presentaron curvas de flujometría urinaria adecuadas tras la cirugía. Cuatro pacientes desarrollaron complicaciones, que consistieron en dos estenosis y dos fístulas, todas corregidas sin incidentes. La cistoscopia posterior demostró neouretras permeables en todos los pacientes. Hubo urotelio recubriendo las neouretras de tres pacientes, mientras que dos pacientes presentaron neouretras recubiertas por epitelio. En el último seguimiento, todos los pacientes miccionaban sin pujo y tenían bajos residuos posmiccionales.29 Los investigadores continuaron el seguimiento de estos seis niños hasta edades prepuberales y reportaron resultados estéticamente adecuados. Todos los pacientes continuaron miccionando con un chorro adecuado y sin pujo. Cinco niños presentaron curvas de flujometría urinaria con forma de campana, con velocidades máximas de flujo de 8,5-28,3 mL/s. Un paciente presentó una curva de flujo urinario plana y prolongada, pero miccionó sin inconvenientes. La cistoscopia demostró neouretras permeables en todos los pacientes y las erecciones artificiales no presentaron curvatura. Dadas las tasas de complicaciones asociadas con el hipospadias severo, los autores se mostraron optimistas respecto de sus resultados como posible modalidad terapéutica alternativa. Se programó continuar el seguimiento de estos pacientes durante la pubertad y tras la maduración genital completa.30

En un estudio posterior, se utilizaron andamios de PGA sembrados con células autólogas en reconstrucciones complejas de la uretra posterior en cinco niños, con una mediana de seguimiento de 71 meses. Los injertos variaron en longitud de 4 a 6 cm y se observó una arquitectura tisular normal en el estudio histológico a los tres meses de la cirugía. Todas las neouretras se mantuvieron permeables a los 12 meses después de la cirugía y en el último seguimiento. El flujo máximo medio al final del seguimiento fue de 25.1 mL/s según la uroflujometría y no se reportaron eventos adversos (p. ej., infección, divertículos, disuria, esfuerzo miccional). Los autores concluyeron que las neouretras bioingenierizadas pueden utilizarse con éxito en reparaciones uretrales y que sus resultados en la reconstrucción de la uretra posterior refuerzan aún más el éxito, ya que la uretra posterior en los niños es más delicada debido a la ausencia de una próstata madura, por lo que se requieren reparaciones más complejas que en los varones adultos.31

Barreras y Direcciones Futuras

Los estudios en humanos, aunque limitados, han mostrado resultados dispares en el campo de la ingeniería de tejidos en urología pediátrica, con implicaciones para mejoras futuras. Actualmente, faltan resultados consistentes y reproducibles tanto en la regeneración vesical como uretral que produzcan mejoras clínicas y funcionales convincentes sin riesgos o complicaciones significativas. Para que la ingeniería de tejidos se convierta en una opción terapéutica viable para los pacientes en el futuro, deben abordarse varias barreras para garantizar un crecimiento y una función tisular óptimos. Se necesita una fuente fiable de células que puedan expandirse in vitro para la siembra de andamios; el tejido injertado debe ser capaz de sobrevivir al entorno urinario propio del tracto genitourinario; y, idealmente, deberían identificarse métodos fiables para el crecimiento nervioso, en particular para la regeneración de la mucosa vesical, a fin de asegurar la mayor probabilidad de resultados funcionales en los niños.

Los ensayos en animales y en humanos que utilizaron injertos sembrados con células tendieron a producir resultados más duraderos.17,27,31 Por lo tanto, no sería descabellado presumir que la siembra celular puede seguir desempeñando un papel en futuros esfuerzos de ingeniería de tejidos. Si bien las células autólogas, obtenidas mediante biopsia vesical, por ejemplo, pueden ser convenientes ya que minimizan el riesgo de incompatibilidad del injerto, las células obtenidas de vejigas con enfermedad presentaron una supervivencia limitada in vitro en comparación con controles de vejiga sana. El urotelio sano es mitóticamente quiescente, con bajo recambio celular, como lo demuestra un índice Ki-67 bajo y la presencia de UPK3a, un marcador molecular de diferenciación terminal del urotelio. Sin embargo, se ha demostrado que las células de vejigas con patología presentan altas tasas de proliferación (índices Ki-67 elevados) y baja expresión de UPK3a. Este patrón estuvo presente en biopsias de pacientes con vejiga neurógena, válvulas uretrales posteriores, disfunción vesical y epispadias, lo que sugiere que diversas patologías del tracto genitourinario son capaces de afectar negativamente la capacidad de las células para expandirse y sobrevivir para su uso en la siembra autóloga de matrices.10,11 Estos resultados, junto con la amplitud de las afecciones que requieren reparación y reconstrucción quirúrgicas en urología pediátrica, pueden conducir a resultados subóptimos de la ingeniería de tejidos utilizando células autólogas.

Por lo tanto, fuentes adicionales para la siembra celular podrían beneficiar a una gran proporción de niños. Las células madre hematopoyéticas CD34+ inducen la angiogénesis y están implicadas en el crecimiento de los nervios periféricos, mientras que las células madre mesenquimales son una fuente potencial de músculo liso vesical. En conjunto, se han utilizado para recapitular tejido vesical in vivo y podrían ser alternativas potenciales.13 Otra vía emergente que se está explorando es el uso de células madre derivadas de orina debido al menor costo y al carácter no invasivo de su obtención, así como a su potencial relativamente alto de diferenciación.11,32 Se ha inducido su diferenciación hacia linajes celulares ectodérmicos, mesodérmicos y endodérmicos y tienen potencial para su uso en el campo de la urología, aunque el espectro completo de sus características biológicas aún requiere mayor investigación.32

Independientemente de la fuente de células que se utilicen para la siembra de matrices, deben ser capaces de resistir el entorno citotóxico de la orina. Estudios previos han demostrado que la simple adición de orina al medio de cultivo condujo a una disminución de la proliferación y la viabilidad celulares en diversas células madre e incluso en células uroteliales cultivadas.11,12,33 Además, los tejidos también deben soportar el estrés radial y las fuerzas de cizallamiento del fluido asociadas con el almacenamiento y el vaciado de la orina, respectivamente. Si bien el crecimiento celular y la siembra sobre andamios en condiciones ideales de crecimiento in vitro pueden establecer una barrera suficiente para tolerar los estresores del tracto urinario y aliviar los problemas antes mencionados, esto añade tiempo adicional al proceso global, que actualmente ya lleva de cuatro a siete semanas.31 Una opción que se ha propuesto es el uso de una derivación urinaria durante el periodo posoperatorio temprano para permitir que los tejidos implantados dispongan de tiempo adecuado para establecer conexiones célula-célula, al tiempo que se minimiza el contacto con la orina.11 Sin embargo, esto predispone a los pacientes a procedimientos adicionales que pueden incrementar el riesgo de infecciones.34 Adamowicz y colegas propusieron sembrar células en la superficie externa del andamio para reducir su contacto con la orina durante la fase inicial de cicatrización posoperatoria.12 Independientemente del método que finalmente se adopte, Qin et al advirtieron contra la cateterización transuretral posoperatoria, ya que se demostró que provocaba una disrupción mecánica de las matrices injertadas, particularmente en casos de regeneración uretral.35 Así, otra consideración para trabajos futuros es conciliar la disyuntiva entre la cateterización para disminuir el contacto del injerto con la orina y el desprendimiento de las células sembradas de los andamios.

Por último, uno de los objetivos de la ingeniería de tejidos es restablecer la función nativa del órgano; en el caso de la vejiga, esto depende de un crecimiento y una actividad nerviosos adecuados. Hasta la fecha, los resultados en el ámbito del crecimiento nervioso han sido dispares.17,18,19,20 A pesar de la evidencia de regeneración nerviosa incluso con el uso de andamios no sembrados, no existen pruebas en la actualidad que demuestren que estas neuronas tengan la capacidad de funcionar de manera similar al tejido nervioso nativo. Las vías espinales que median la micción implican aferentes vesicales, eferentes de la médula espinal, interneuronas espinales y proyecciones corticales que modulan estos circuitos reflejos, componentes que es poco probable que queden completamente representados con injertos vesicales por sí solos.36 Además, los resultados funcionales apuntan a déficits en la función nerviosa, puesto que los pacientes seguían presentando incontinencia urinaria y dependían del cateterismo intermitente limpio.17,20,21 Trabajos fuera del ámbito de la urología pediátrica, en ingeniería de tejido nervioso, han identificado características importantes de los andamios que favorecen el crecimiento de los nervios periféricos: conductividad para mejorar la comunicación neuronal mediante potenciales de acción, hidrofobicidad para mejorar la adhesión celular y mayor tamaño de poro para estimular la proliferación y migración celular.37 Conforme el campo siga avanzando, debe alcanzarse un delicado equilibrio de porosidad del andamio para fomentar el crecimiento nervioso sin provocar la extravasación de orina hacia el espacio subepitelial. La colaboración con expertos en ingeniería nerviosa y el aprovechamiento de los avances en su campo pueden traducirse en resultados clínicos significativos para pacientes pediátricos con disfunción vesical.

Conclusión

Se han logrado avances significativos en la ingeniería de tejidos en urología pediátrica en las últimas décadas. Los avances en biomateriales y la ingeniería celular han conducido a éxitos iniciales en la regeneración tisular en modelos animales de enfermedades urológicas. Sin embargo, los limitados ensayos iniciales en humanos de intervenciones similares no han arrojado mejoras concluyentes y reproducibles en la función clínica de los pacientes, a la vez que se minimizan los riesgos. Si bien la ingeniería de tejidos tiene el potencial de alterar drásticamente el campo de la urología pediátrica mediante terapias personalizadas, aún es necesario abordar numerosas barreras pretraslacionales para optimizar la función del injerto in vivo. Se requieren estudios adicionales a largo plazo en animales y en humanos para comprender mejor los resultados y las complicaciones, y la colaboración multidisciplinaria en todas las etapas será, sin duda, una clave para el éxito futuro.

Puntos clave

  • La ingeniería de tejidos para pacientes urológicos todavía está en investigación, y solo se han completado estudios traslacionales preliminares de fase temprana.
  • Los desafíos actuales incluyen la revascularización de redes de vasos pequeños y la neurulación incompleta en el huésped.
  • No obstante, si el campo avanza, podría mejorar drásticamente los desenlaces de varias afecciones urológicas congénitas.

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Última actualización: 2025-09-21 13:35