60: Engenharia de Tecidos—Estado Atual e Futuro

Este capítulo levará aproximadamente 17 minutos para ler.

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

Introdução

A engenharia de tecidos é a ciência de transplantar células ou orientar o recrescimento de células saudáveis, a fim de criar tecidos ou órgãos que mimetizem a forma e a função nativas para tratar uma miríade de doenças.1 A engenharia de tecidos no campo da urologia pediátrica tem se concentrado principalmente na regeneração de tecido vesical e uretral para substituição ou ampliação.2,3,4 O uso atual de intestino para substituição e ampliação da bexiga acarreta riscos e complicações significativos, incluindo obstrução intestinal, distúrbios metabólicos, formação de cálculos, produção de muco, incontinência urinária e infecções recorrentes.3,4 O uso de enxertos de mucosa ou de pele para substituição e ampliação uretral acarreta riscos como estenoses, fístulas, falha do enxerto, contratura do enxerto, morbidade no sítio doador e recorrência de chordee.5,6 A engenharia de tecidos é promissora no esforço de fornecer alternativas duradouras para crianças.

O trabalho nesta área evoluiu desde o crescimento desses tecidos ex vivo, passando por estudos em animais, até ensaios mais recentes em um número limitado de pacientes pediátricos. Embora tenham ocorrido avanços significativos em arcabouços e culturas celulares, juntamente com resultados promissores de estudos em animais, ainda existem barreiras que limitam a aplicação dessa tecnologia ao uso em larga escala em pacientes. Esta revisão terá como objetivo resumir e apresentar resultados clínicos de trabalhos em engenharia de tecidos na urologia pediátrica e discutir as barreiras e as perspectivas futuras neste campo.

Biomateriais e Células

Os princípios da engenharia de tecidos estabelecem a necessidade de um arcabouço e de células semeadas para povoar o arcabouço.7 Inúmeros arcabouços existem e têm sido utilizados na engenharia de tecidos urológica, incluindo submucosa do intestino delgado acelular (SIS), colágeno e malha composta de colágeno e ácido poliglicólico (PGA).2,8 Trabalhos na geração de uma matriz extracelular vesical (BEM) descelularizada usando bexigas suínas também demonstraram êxito, com remoção satisfatória de células e material genético, sem afetar a estrutura subjacente de colágeno ou elastina, com preservação das propriedades angiogênicas.9

As fontes de células semeadas podem incluir células uroteliais autólogas e células-tronco. Embora células autólogas possam ser obtidas a partir de uma biópsia vesical e expandidas in vitro, a patologia vesical subjacente é uma potencial limitação, pois células de bexigas com patologia apresentaram menor viabilidade em cultura celular em comparação com controles de bexigas adultas saudáveis. Além disso, demonstrou-se que o urotélio de bexigas com patologia forma barreiras epiteliais mais fracas e menos eficazes.10 Numerosos tipos de células-tronco também foram investigados, incluindo células-tronco derivadas da medula óssea, mesenquimais, derivadas da urina, embrionárias e pluripotentes induzidas.11,12,13 O processo é descrito na Figura 1.

Figura 1
Figura 1 Diagrama esquemático do processo para coletar células do hospedeiro (a), expandi-las in vitro e implantá-las sobre um andaime tecidual adequado (b), e, em seguida, implantá-las no corpo (c).

Vascularização de Órgãos Engenheirados

Semelhante ao tecido nativo, a sobrevivência das células semeadas em arcabouços depende de vascularização adequada. Inovações em biomateriais permitiram a criação de construtos maiores que invariavelmente excedem o limite de difusão de gases e nutrientes.14 Após a implantação, o estabelecimento de uma rede vascular pode levar semanas, dependendo do tamanho do enxerto, período durante o qual as células transplantadas podem sofrer hipóxia e/ou deficiências de nutrientes. Além disso, o processo de angiogênese pode resultar na formação de gradientes de oxigênio e/ou nutrientes que favorecem preferencialmente o crescimento de células superficiais e podem resultar em crescimento não uniforme das matrizes e potencial fragilidade estrutural.15 As estratégias para superar as limitações de tamanho de órgãos de engenharia tecidual incluem: pré-vascularização dos arcabouços antes da semeadura celular, semeadura dos arcabouços com células do enxerto e células endoteliais, e adição de fatores angiogênicos antes da implantação do enxerto.16 Outra opção que demonstrou potencial é o uso de um retalho omental envolvendo o tecido vesical implantado para servir como pedículo vascular; a capacidade funcional desses enxertos pode, arguivelmente, ser considerada um parâmetro substituto da sobrevivência e da função celular.17 Entretanto, esta última opção não é viável para matrizes implantadas fora do alcance do omento. Trabalhos adicionais são necessários para abordar essa questão da viabilidade vascular de tecidos bioengenheirados, especialmente com objetivos de regeneração de órgãos inteiros.

Estudos em animais e humanos na engenharia de tecidos da bexiga

Estudos anteriores em regeneração vesical em animais mostraram resultados encorajadores com o uso apenas de andaimes não semeados. Caione et al estudaram o uso de um andaime de SIS para o recrescimento vesical em um modelo em suínos de cistectomia parcial. 40-60% da parede vesical de seis leitões foi removida e substituída por um andaime de SIS. Observou-se que vasos sanguíneos migravam das bexigas nativas para o enxerto cinco semanas após a cirurgia. O exame histológico do enxerto após três meses demonstrou epitélio transicional, músculo liso e nervos. Os enxertos apresentaram uma proporção colágeno:músculo liso de 72:28 em comparação com 56:44 nas bexigas nativas, compatível com ausência de aumento da capacidade e da complacência vesical em todos os animais.18 Em um estudo posterior por Roelofs et al, eles compararam o uso de andaimes de colágeno para aumento vesical em um modelo ovino de extrofia vesical versus bexiga de ovelhas saudáveis. No ponto de um mês de pós-operatório, as bexigas de cordeiros com extrofia apresentaram menor capacidade e complacência em comparação às bexigas saudáveis aumentadas. Além disso, os enxertos vesicais de controles saudáveis apresentaram mais neovascularização e músculo liso em comparação com os enxertos de cordeiros com extrofia vesical. No marco de seis meses de pós-operatório, os volumes vesicais foram semelhantes entre os dois, mas a complacência permaneceu menor no modelo de extrofia; enquanto isso, as bexigas regeneradas apresentaram urotélio semelhante com recrescimento nervoso em ambos os grupos.19 Os resultados do pós-operatório precoce corroboram estudos in vitro de regeneração prejudicada em bexigas com patologia subjacente, porém os achados aos seis meses de pós-operatório podem ser um sinal tranquilizador de potencial a mais longo prazo, embora haja poucos estudos para substanciar isso.10

Animados pelos sucessos iniciais em estudos com animais, foram realizados estudos-piloto em um número limitado de crianças para avaliar o uso de andaimes tanto semeados com células quanto não semeados para regeneração vesical. Caione et al avaliaram o uso de andaimes de SIS não semeados em cinco pacientes pediátricos que não desejavam aumento vesical com segmentos intestinais após correção do complexo extrofia-epispádia. Histologicamente, houve migração dos três tipos de tecido para o andaime, incluindo crescimento nervoso. As porções enxertadas das bexigas apresentaram maior proporção de colágeno em relação a músculo quando comparadas às bexigas nativas. Não houve alteração significativa nas pressões do ponto de perda vesical após a colocação do enxerto, mas três dos cinco pacientes apresentaram melhora da capacidade vesical no ponto de seis meses de pós-operatório. Observou-se um aumento geral do tempo entre episódios de incontinência e um aumento progressivo dos volumes vesicais em todos os pacientes dois a três anos após a cirurgia. Entretanto, nenhum paciente alcançou continência urinária completa.20

Um estudo de 2006 de Atala e colegas utilizou semeadura autóloga de arcabouços para cistoplastia em sete pacientes pediátricos com antecedente de mielomeningocele que apresentavam bexigas de alta pressão e baixa complacência. Os pacientes foram submetidos a avaliação cistoscópica com biópsia vesical para obter amostras para expansão celular in vitro. As células foram semeadas em arcabouços de colágeno ou de malha de colágeno-PGA, e os arcabouços foram anastomosados com ou sem recobrimento omental. Não houve complicações pós-operatórias e os pacientes foram acompanhados por uma média de 46 meses. Durante os primeiros 3-12 meses de pós-operatório, as pressões do ponto de perda vesical diminuíram em todos os pacientes, enquanto a capacidade e a complacência exibiram respostas variáveis em comparação aos achados urodinâmicos pré-operatórios. Para o subgrupo de pacientes que recebeu aumento com arcabouços de colágeno-PGA com recobrimento omental, houve um aumento de 1,58 vezes na capacidade vesical pós-operatória, o que não foi observado nos arcabouços de colágeno com ou sem recobrimento omental. Do ponto de vista funcional, todos os pacientes se beneficiaram de um aumento no intervalo médio de continência diurna. Ao exame histológico dos enxertos vesicais, a interface entre as bexigas nativa e implantada era indistinguível e todas as três camadas teciduais eram evidentes aos 31 meses após a cirurgia. Notadamente, não houve evidência de reinervação, pois todos os pacientes precisaram realizar cateterismo intermitente limpo.17

Apesar desses resultados promissores, um estudo prospectivo de fase II subsequente utilizando um protocolo semelhante de engenharia de tecidos, incluindo envelopamento com omento, não conseguiu reproduzir esses desfechos. Os autores avaliaram o uso de arcabouços semeados com células autólogas para cistoplastia de aumento em crianças com NGB secundária à espinha bífida em quatro hospitais pediátricos terciários. Quatro de 10 pacientes apresentaram redução da capacidade vesical um ano após a cirurgia, sem retorno à linha de base pré-operatória mesmo após 36 meses. Não houve aumento convincente ou consistente da capacidade vesical ou da complacência 36 meses após a cirurgia e as alterações urodinâmicas não foram estatisticamente nem clinicamente significativas. Notadamente, quatro dos 10 pacientes tiveram eventos adversos pós-operatórios significativos (isto é, obstrução intestinal e/ou ruptura vesical). Por fim, cinco dos 10 pacientes foram submetidos à enterocistoplastia de aumento tradicional. Os autores concluíram que sua intervenção não resultou em melhora estatística nem clínica no geral e esteve associada a altas taxas de eventos adversos.21 Os desfechos divergentes nesses dois estudos provavelmente são multifatoriais. Os pacientes da coorte de Atala eram um subconjunto muito seleto, o que limita a aplicabilidade dessa técnica.22 Outros postularam que a ausência de ciclagem vesical normal no pré-operatório pode predispor os pacientes à falha do implante, excluindo, assim, grande proporção de pacientes com patologia vesical para os quais essa terapia se destina.23

Resultados de estudos em animais demonstraram eficácia potencial na engenharia da bexiga, com regeneração de epitélio, músculo liso, vasculatura e tecido nervoso. No entanto, o tecido regenerado não se assemelhava histologicamente às bexigas nativas devido à fibrose excessiva. O progresso inicial em animais ainda não se traduziu em sucesso avassalador nos ensaios clínicos limitados com pacientes. As evidências de uma histologia vesical satisfatória foram equívocas e os desfechos clínicos não foram melhores do que os da cistoplastia de aumento tradicional.24,25

Estudos em Animais e Humanos na Engenharia de Tecidos Uretrais

Considerando que a função primária da uretra é servir como um conduto para a passagem da urina da bexiga para o meio externo, o critério de sucesso na engenharia de tecido uretral tem sido medido principalmente com base na integridade e na patência dos enxertos, em vez da regeneração histológica dos tipos teciduais, como é o caso na engenharia da bexiga.3 Existem várias técnicas para reconstrução uretral na urologia pediátrica, incluindo anastomose primária e enxertos de pele e de mucosa.5,26 A engenharia de tecidos vem sendo explorada como uma alternativa a esses métodos, particularmente para o reparo de defeitos mais extensos.

Dorin et al investigaram o comprimento máximo de regeneração de tecido uretral nativo que poderia ser alcançado por meio de onlay uretral com enxertos tubulares de submucosa vesical não semeados em coelhos. Eles observaram crescimento urotelial normal e patência luminal no enxerto de 0,5 cm em uma, duas e quatro semanas de pós-operatório. Os enxertos de 1, 2 e 3 cm desenvolveram estenoses até quatro semanas após a cirurgia. Apenas os enxertos de 0,5 cm apresentaram crescimento adequado de epitélio e músculo liso; todos os demais comprimentos apresentaram fibrose. Concluiu-se que enxertos tubulares não semeados poderiam reparar um defeito uretral com comprimento máximo de 0,5 cm.27

Um estudo posterior de Orabi e colegas comparou a eficácia de matrizes semeadas com células em comparação com matrizes não semeadas na reparação de defeitos uretrais de 6 cm em cães. As células usadas para a semeadura foram obtidas por biópsia vesical para expansão celular autóloga. As matrizes semeadas com células permaneceram pérvias 12 meses após a cirurgia, enquanto as matrizes não semeadas desenvolveram estenoses em até três meses. As matrizes semeadas apresentaram camadas completas de urotélio e músculo liso, ausentes nas matrizes não semeadas. Hipotetizou-se que o sucesso das matrizes semeadas se devia, em parte, a uma camada inicial de células uroteliais protetoras, que limitava o extravasamento de urina para o espaço subepitelial e, com isso, a fibrose subsequente.28

Em um ensaio clínico inicial em humanos de engenharia de tecido uretral, Fossum et al investigaram o uso de arcabouços de colágeno semeados com células autólogas para o tratamento de hipospádia grave em seis meninos com idades entre 14-44 meses, com 3-5,5 anos de seguimento. Cinco de seis pacientes apresentaram curvas de fluxo urinário apropriadas após a cirurgia. Quatro pacientes desenvolveram complicações, que consistiram em duas estenoses e duas fístulas, todas corrigidas de maneira sem intercorrências. Cistoscopia subsequente demonstrou neouretras pérvias em todos os pacientes. Havia urotélio revestindo as neouretras de três pacientes, enquanto dois pacientes tinham neouretras revestidas por epitélio. No último seguimento, todos os pacientes urinavam sem esforço e apresentavam baixo resíduo pós-miccional.29 Os investigadores continuaram o seguimento desses seis meninos até idades pré-puberais e relataram desfechos cosmeticamente apropriados. Todos os pacientes continuaram a urinar com jato adequado, sem esforço. Cinco meninos apresentaram curvas de fluxo urinário em forma de sino, com taxas de fluxo máximas variando de 8,5-28,3 mL/s. Um paciente apresentou curva de fluxo urinário plana e prolongada, mas urinava sem problemas. A cistoscopia demonstrou neouretras pérvias em todos os pacientes e ereções artificiais não apresentavam curvatura. Dadas as taxas de complicações associadas à hipospádia grave, os autores mostraram-se otimistas quanto aos seus resultados como possível modalidade de tratamento alternativa. O seguimento desses pacientes está programado para continuar durante a puberdade e após a maturação genital completa.30

Em um estudo subsequente, arcabouços de PGA semeados com células autólogas foram utilizados em reconstrução uretral posterior complexa em cinco meninos, com seguimento mediano de 71 meses. Os enxertos variaram em comprimento de 4 a 6 cm, e uma arquitetura histológica tecidual normal foi observada em até três meses após a cirurgia. Todas as neouretras permaneceram pérvias 12 meses após a cirurgia e no último seguimento. A vazão máxima média ao final foi de 25,1 mL/s, conforme avaliada por urofluxometria, e não foram relatados eventos adversos (por exemplo, infecção, divertículos, disúria, esforço miccional). Os autores concluíram que neouretras engenheiradas podem ser usadas com sucesso em reparos uretrais e que seus resultados em reconstrução uretral posterior fortalecem ainda mais esse sucesso, pois a uretra posterior em meninos é mais delicada devido à ausência de uma próstata madura, exigindo reparos mais complexos do que em homens adultos.31

Barreiras e Direções Futuras

Estudos humanos limitados mostraram resultados mistos no campo da engenharia de tecidos em urologia pediátrica, com implicações para melhorias futuras. Atualmente, faltam resultados consistentes e reprodutíveis tanto na regeneração vesical quanto na uretral que proporcionem melhorias clínicas e funcionais convincentes sem riscos ou complicações significativos. Para que a engenharia de tecidos se torne uma opção de tratamento viável para pacientes no futuro, várias barreiras devem ser enfrentadas a fim de garantir crescimento e função tecidual ideais. É necessário haver uma fonte confiável de células que possam ser expandidas in vitro para semeadura de arcabouços; o tecido enxertado deve ser capaz de sobreviver ao ambiente urinário próprio do trato geniturinário; e, idealmente, devem ser identificados métodos confiáveis para o crescimento nervoso, particularmente para a regeneração da mucosa vesical, a fim de assegurar a melhor chance de desfechos funcionais em crianças.

Ensaios em animais e em humanos usando enxertos semeados com células tenderam a produzir resultados mais duradouros.17,27,31 Assim, não seria irrazoável presumir que a semeadura celular possa continuar a desempenhar um papel em futuros esforços de engenharia de tecidos. Embora células autólogas, obtidas por meio de biópsia vesical, por exemplo, possam ser convenientes por minimizarem o risco de incompatibilidade do enxerto, células obtidas de bexigas com doença apresentaram sobrevida limitada in vitro em comparação com controles de bexiga saudável. O urotélio saudável é mitoticamente quiescente, com baixa renovação celular, como demonstrado por um baixo índice Ki-67 e pela presença de UPK3a, um marcador molecular de diferenciação terminal do urotélio. Entretanto, células de bexigas com patologia demonstraram apresentar altas taxas de proliferação (índices Ki-67 elevados) e baixa expressão de UPK3a. Esse padrão esteve presente em biópsias de pacientes com bexiga neurogênica, válvulas uretrais posteriores, disfunção vesical e epispádias, sugerindo que várias patologias do trato geniturinário são capazes de impactar negativamente a capacidade das células de se expandirem e sobreviverem para uso na semeadura autóloga de matrizes.10,11 Esses resultados, somados à amplitude de condições que justificam reparo e reconstrução cirúrgicos em urologia pediátrica, podem levar a resultados subótimos da engenharia de tecidos utilizando células autólogas.

Fontes adicionais para semeadura celular podem, portanto, beneficiar uma grande proporção de crianças. Células-tronco hematopoéticas CD34+ induzem angiogênese e estão implicadas no crescimento de nervos periféricos, enquanto células-tronco mesenquimais são uma fonte potencial para músculo liso vesical. Em conjunto, elas têm sido usadas para recapitular tecido vesical in vivo e podem ser opções potenciais.13 Outra via emergente em exploração é o uso de células-tronco derivadas da urina devido ao menor custo e ao caráter não invasivo da coleta e ao seu potencial relativamente alto de diferenciação.11,32 Elas têm sido induzidas a linhagens celulares ectodérmicas, mesodérmicas e endodérmicas e apresentam potencial para uso no campo da urologia, embora o espectro completo de suas características biológicas ainda requeira investigação adicional.32

Independentemente da origem das células utilizadas para a semeadura de matrizes, elas devem ser capazes de suportar o ambiente citotóxico da urina. Estudos prévios demonstraram que a simples adição de urina ao meio de cultivo levou à diminuição da proliferação e da sobrevivência celular em várias células-tronco e até mesmo em células uroteliais cultivadas.11,12,33 Além disso, os tecidos também devem suportar a tensão radial e as forças de cisalhamento do fluido associadas ao armazenamento e ao esvaziamento da urina, respectivamente. Embora o crescimento celular e a semeadura em andaimes sob condições ideais de crescimento in vitro possam estabelecer uma barreira suficiente para tolerar os estressores do trato urinário e atenuar os problemas mencionados, isso acrescenta tempo adicional ao processo geral, que atualmente já leva de quatro a sete semanas.31 Uma opção proposta é o uso de derivação urinária no período pós-operatório inicial para permitir que os tecidos implantados tenham tempo adequado para estabelecer conexões célula-célula, ao mesmo tempo em que se minimiza o contato com a urina.11 No entanto, isso predispõe os pacientes a procedimentos adicionais que podem aumentar o risco de infecções.34 Adamowicz e colegas propuseram semear células na superfície externa do andaime para reduzir seu contato com a urina durante a fase inicial de cicatrização pós-operatória.12 Independentemente do método finalmente adotado, Qin et al alertaram contra a cateterização transuretral no pós-operatório, pois demonstrou-se que ela interrompe mecanicamente as matrizes enxertadas, particularmente em casos de regeneração uretral.35 Assim, outra consideração para trabalhos futuros é conciliar o compromisso da cateterização para diminuir o contato do enxerto com a urina com a descamação de células semeadas dos andaimes.

Por fim, um dos objetivos da engenharia de tecidos é restabelecer a função nativa do órgão; no caso da bexiga, isso depende do crescimento e da atividade nervosa adequados. Até o momento, houve resultados mistos no âmbito do crescimento nervoso.17,18,19,20 Apesar de evidências de regeneração nervosa mesmo com o uso de arcabouços não semeados, atualmente não há evidências de que esses neurônios tenham capacidade de funcionar de maneira semelhante ao tecido nervoso nativo. As vias espinais que medeiam a micção envolvem aferentes vesicais, eferentes da medula espinal, interneurônios espinais e projeções corticais que modulam esses circuitos reflexos, componentes que provavelmente não serão completamente reproduzidos apenas com enxertos vesicais.36 Além disso, os desfechos funcionais apontam para déficits da função nervosa, uma vez que os pacientes ainda apresentaram incontinência urinária e dependeram do cateterismo intermitente limpo.17,20,21 Trabalhos fora da urologia pediátrica, na engenharia de tecido nervoso, identificaram características importantes dos arcabouços que promovem o crescimento de nervos periféricos: condutividade para aprimorar a comunicação neuronal via potenciais de ação, hidrofobicidade para melhorar a adesão celular e maior tamanho de poros para estimular a proliferação e a migração celulares.37 À medida que o campo continua a avançar, é necessário alcançar um equilíbrio delicado da porosidade do arcabouço para favorecer o crescimento nervoso sem causar extravasamento de urina para o espaço subepitelial. A colaboração com especialistas em engenharia de nervos e o aproveitamento dos avanços nessa área podem levar a desfechos clínicos significativos para pacientes pediátricos com disfunção vesical.

Conclusão

Avanços significativos na engenharia de tecidos aplicada à urologia pediátrica foram alcançados nas últimas décadas. Avanços em biomateriais e engenharia celular levaram a sucessos iniciais na regeneração tecidual em modelos animais de doenças urológicas. Entretanto, os limitados ensaios clínicos iniciais em humanos com intervenções semelhantes não produziram melhorias conclusivas e reprodutíveis na função clínica dos pacientes, ao mesmo tempo em que minimizam os riscos. Embora a engenharia de tecidos tenha o potencial de alterar drasticamente o campo da urologia pediátrica por meio de terapias personalizadas, numerosas barreiras pré-translacionais ainda precisam ser enfrentadas para otimizar a função dos enxertos in vivo. Estudos adicionais de longo prazo em animais e em humanos são necessários para melhor compreender desfechos e complicações, e a colaboração multidisciplinar em todas as etapas será, sem dúvida, uma chave para o sucesso futuro.

Pontos-chave

  • A engenharia de tecidos para pacientes urológicos ainda está em investigação, com apenas estudos translacionais preliminares e iniciais concluídos.
  • Os desafios atuais incluem a revascularização de redes de pequenos vasos e a inervação incompleta no hospedeiro.
  • Caso a área avance, porém, ela poderá melhorar de forma dramática os desfechos de várias condições urológicas congênitas.

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Ultima atualização: 2025-09-21 13:35