alcances de la bioingeniera de tejidos en odontologa

ALCANCES DE LA BIOINGENIERÍA DE TEJIDOS EN ODONTOLOGÍA
LILIANA OTERO M.
El PGH ha iniciado el cambio en el siglo XXI, la
odontología, la medicina, la genética, la biología
molecular, la biotecnología
y la bioinformática
convergen para dar cabida al desarrollo de nuevas
disciplinas como la terapia génica, la imagenología, la
nanotecnología, la farmacogenómica, la terapia con
células madre y la bioingeniería; con el propósito de
generar un cambio radical en el diagnóstico y
tratamiento actual de las patologías que afectan al
hombre. La fusión de la ingeniería con la biología
molecular y celular ha dado origen a una nueva
disciplina que se denomina: Bioingeniería. La
Bioingeniería se encarga de regenerar los tejidos y
órganos de los organismos vivos.
Los objetivos terapéuticos de la bioiengeniería en
odontología están encaminados a aliviar el dolor y
restablecer la función, mediante:
1. La regeneración de hueso en patologías que afectan
el sistema dentomaxilofacial (traumas, síndromes
cráneofaciales, fisura labiopalatina, cáncer, enfermedad
periodontal, maloclusiones).
2. La regeneración de cartílagos en patologías que
afectan la Articulación Temporo-mandibular.
3. La regeneración de tejidos que afectan las glándulas
salivales.
4. La regeneración de tejido nervioso.
5. La regeneración de tejidos dentales y de soporte
(pulpa, dentina, ligamento periodontal, cemento,
esmalte, mucosa oral) y el diseño y fabricación de
dientes completos (dientes perdidos por patologías o
traumas, agenesias, implantes, maloclusiones).
MODELOS DE ESTUDIO EN BIOINGENIERÍA
La demanda de tratamiento médico y odontológico
ocasionado por la pérdida de tejidos, o por el daño de
órganos en el macizo craneofacial secundarios a
trauma, defectos congénitos y enfermedades adquiridas
representan un grave problema de salud para la
población (1). Aunque en términos generales los
tejidos humanos tienen potenciales limitados de
regeneración, los recientes hallazgos encontrados en la
investigación con células madre e ingeniería de tejidos,
proveen nuevas técnicas para ser aplicados en los
tejidos dentales y cráneofaciales.
Actualmente el objetivo principal del reemplazo y la
reconstrucción de tejidos es reestablecer la función
mecánica. Las estrategias corrientemente utilizadas en
la pérdida de tejidos incluyen la utilización de injertos
autógenos, aloinjertos y materiales sintéticos
(aloplásticos). Sin embargo estos tratamientos presentan
todavía muchas limitaciones. Uno de los mayores
problemas de los autoinjertos y los aloinjertos es la
poca disponibilidad de sitios donantes que presentan los
humanos. Otro problema relacionado con la pérdida de
hueso está relacionado con defectos estructurales y
anatómicos y con el rechazo de tejidos. Actualmente el
mayor problema que enfrentan los aloinjertos es una
respuesta inmunológica adversa debida a diferencias
genéticas, que pueden ocasionar el rechazo de un
implante dental por ejemplo, porque no logran una
verdadera oseointegración (2).
La isquemia y la reperfusión del tejido, representan
también graves problemas en el trasplante de órganos.
Para este propósito está siendo evaluada la deleción
clonal de las células T, la inducción de quimeras de
médula ósea, la manipulación de citoquinas reguladoras
y el bloqueo de CD28 ó CD40. Los esfuerzos
científicos siguen en la tarea de identificar la forma de
prevenir el rechazo del injerto y la trombosis.
Las estrategias que utiliza la bioingeniería para crear
nuevos tejidos y órganos se fundamentan en la
combinación de materiales artificiales con moléculas
bioactivas que inducen la formación tisular o el
crecimiento de células en un laboratorio. Las moléculas
bioactivas usadas más frecuentemente son factores de
crecimiento o proteínas de matriz extracelular. Esta
combinación
puede
ser
realizada
mediante
procedimientos conductivos, inductivos y de transplante
de células.
En odontología las mejores representaciones de los
procedimientos conductivos o pasivos (las prótesis
utilizadas no incluyen células vivas ni señales
biológicas de difusión) utilizados por la ingeniería de
tejidos, son el implante dental y la regeneración tisular
guiada.
Los procedimientos inductivos activan células cercanas
al tejido por medio de señales específicas. Estos
procedimientos se han fortalecido gracias al
descubrimiento de factores de crecimiento osteogénicos
y angiogénicos. Las proteínas de la matriz extracelular
(MEC), también inducen neoformación ósea cuando
son colocadas en el sitio del defecto. Estas proteínas
tienen la capacidad de dirigir la función de las células
residentes y por lo tanto pueden promover la
regeneración tisular. Por ejemplo, una preparación de
proteínas del esmalte derivadas de tejido de cerdos es
utilizada para regenerar tejidos periodontales en
humanos, la laminina (otra proteína de MEC) está
siendo probada por su habilidad para mejorar la
adhesión a los implantes dentales (3). Para que la
inducción tisular sea exitosa clínicamente, los factores
biológicos de inducción deben activarse en los sitios
deseados por el tiempo necesario. Por esta razón uno de
los objetivos de la bioingeniería es diseñar nuevos
sistemas de liberación controlada. Shea y colaboradores
(4), demostraron que las células incorporan el DNA
liberado y producen cantidades suficientes de proteínas
inductivas que promueven la neoformación de tejidos.
Comercialmente ya está disponible una nueva clase de
biomateriales llamados ADMAT (animal derived
extracellular matriz) diseñados en forma de prótesis o
templetes que movilizan las células propias del
organismo y las inducen a reconstruir el tejido
reemplazando gradualmente la prótesis. Este proyecto
de bioingeniería pretende cambiar el reemplazo
artificial de órganos por la regeneración natural de los
mismos. Actualmente se están probando clínicamente
en humanos las prótesis periodontales. Esta tecnología
puede ser aplicada en muchas formas para problemas
médicos y dentales (tejidos periodontales, tejido de
articulación temporomandibular, hueso) (5).
Una de las limitaciones de los procedimientos
inductivos es que aún no se conocen los factores
inductivos para todos los tipos de tejido. En estas
situaciones el trasplante de células madre resulta muy
atractivo. Este procedimiento involucra el transplante
de células producidas en el laboratorio. En este
procedimiento multidisciplinario el clínico o cirujano,
toma una pequeña biopsia del tejido de interés. La
biología celular se encarga de multiplicar
exponencialmente las células y de mantener su función.
Por medio de los tejidos producidos por bioingeniería
se llevan las células al sitio del transplante (6).
La aplicación más excitante del transplante celular es la
ingeniería de órganos completos. Esta aplicación genera
la necesidad de desarrollar
paralelamente una
vasculatura de soporte metabólico para estos órganos.
Para este propósito actualmente se están investigando
dos procedimientos: el transplante de células
endoteliales y la liberación de factores de crecimiento
angiogénicos en los tejidos creados por ingeniería (7).
Aunque la mayoría de trabajos de investigación en
ingeniería de órganos están enfocados al desarrollo de
tejidos cuya pérdida pueda ocasionar la muerte del
paciente
(Hígado,
páncreas...)
existen
otras
circunstancias que involucran la pérdida de tejidos
donde no se produce la muerte del individuo, pero si se
deteriora considerablemente su calidad de vida. A este
último grupo pertenecen los pacientes que pierden el
parénquima de la glándula salival y por ende la
capacidad de producir saliva.
Los pacientes que reciben radiación ionizante para el
tratamiento del cáncer de cabeza y cuello y los
pacientes con Síndrome de Sjogren sufren la pérdida
del tejido secretor de la glándula salival. Sin saliva
estos pacientes experimentan disfagia, caries rampante
infecciones mucosas y otras molestias en la cavidad
oral. Baum y colaboradores (8), iniciaron un programa
piloto para desarrollar una glándula salival artificial.
Esta glándula consta de un tubo ciego con movimiento
unidireccional para la secreción de fluido. Este fluido
es generado a partir de terapia génica. En un
experimento realizado en ratas, se transfirió un gen para
la secreción de líquidos mediante el virus AdhAQP1.
Las ratas experimentales mostraron incremento en los
niveles de fluido cercanos a los niveles normales.
La investigación en el área de bioingeniería crece
vertiginosamente día a día. Los modelos que se han
desarrollado para el estudio de la ingeniería de tejidos
comprenden:
1. Modelo endógeno, Distracción osteogénica: El
propósito de este modelo es crear nuevo hueso a partir
del conocimiento de procesos naturales que ocurren en
el desarrollo tisular. Un ejemplo muy común es el
estudio del desarrollo óseo en la distracción
osteogénica. En la distracción toman lugar la
proliferación y la apoptosis celular para lograr una
adecuada regeneración tisular. En este proceso
intervienen las células residentes, osteoblastos y
osteoclastos. Por esta razón este es mecanismo ofrece
una gran oportunidad para investigar los procesos de
remodelación ósea, las moléculas de señalización y los
factores de crecimiento que intervienen en esta
regeneración.
Este conocimiento está siendo empleado para la
bioingeniería de tejidos utilizando células donantes, o
en técnicas combinadas de bioingeniería y distracción
ósea para la reconstrucción de defectos cráneofaciales,
articulares y de los maxilares.
2. Estrategia de recombinación con bases proteicas:
El mayor esfuerzo realizado en esta estrategia se basa
en la colocación de factores de crecimiento exógenos,
para aumentar la inducción de hueso o la cicatrización
de un tejido. En modelos animales, los factores de
crecimiento han sido administrados localmente para
aumentar la reparación de defectos craneofaciales de
tejido óseo en cráneo, proceso zigomático, procesos
alveolares, periodontales y mandibulares.
Entre las numerosas proteínas osteogénicas y
angiogénicas que han sido investigadas se encuentra: el
factor de crecimiento tranformante ßs (TGF-ßs), la
activina A, las proteínas morfogenéticas de hueso
(BMPs), el factor de crecimiento fibroblastico 1 y 2
(FGF–1, FGF–2), factores de crecimiento parecidos a la
insulina (IGF), factor de crecimiento derivado de las
plaquetas (PDGF) y hormonas de crecimiento (GH).
También se han utilizado factores de crecimiento
añadidos directamente a los materiales biodegradables
para la fijación ósea en cirugías craneofaciales. Para
imitar el tejido nativo se debe crear un molde
tridimensional que simule la matriz del tejido que se
quiere regenerar. Debe además simular las propiedades
químicas y físicas del tejido y
promover la
diferenciación, proliferación y adherencia entre las
células del tejido progenitor y el tejido implantado. Este
molde puede ser fabricado en material sintético como
polímeros, material biológico, o un híbrido entre los
dos tipos de materiales (9). Actualmente las técnicas de
bioingeniería agregan factores de crecimiento (10),
secuencias peptídicas específicas (11) y sistemas
multicelulares a estas matrices de tejido (12).
Los factores de crecimiento y diferenciación que han
demostrado participar más activamente en el desarrollo
de las estructuras cráneofaciales son el Factor de
Crecimiento Fibroblástico (FGF), Sonic Hedgehog
(SHH), Las Proteínas morfogenéticas de hueso (BMP),
algunos genes homeóticos (Msx, Dlx), y el factor de
transcripción RUNX2 producido por el gen Cbfa1,
entre otros.
Aunque la formación de esmalte en tejidos adultos
parece una tarea muy difícil de lograr, los hallazgos
recientes de Thesleff y colaboradores (13), quienes
reportaron células madre de origen endotelial con
capacidad de transdiferenciarse en ameloblastos en
ratones, permiten suponer que es posible regenerar
esmalte. Este estudio sugiere que el Factor de
Crecimiento Fibroblástico (FGF) (14), es el responsable
de inducir la diferenciación de estas células mediante la
regulación de la vía de señalización mediada por Notch
(15).
3. Estrategias basadas en genes: El objetivo de este
recurso es iniciar la cascada de expresión génica para
permitir el reclutamiento celular, la diferenciación, la
producción de matriz y el ensamblaje ordenado de
estructuras para la regeneración de tejidos. Las
estrategias genéticas se han mejorado durante los
últimos años y los modos de transmisión se pueden
dividir en virales y no virales. Dentro de los modos
virales, los adenovirus ha sido utilizado para los
métodos basados en la transferencia genética como
medio de transporte para los genes ya que presenta gran
habilidad para infectar las células con los nuevos genes,
además de presentar una alta eficiencia de transfección
y su gran capacidad transgénica. Por ejemplo, algunos
investigadores han utilizado los adenovirus para
transportar potentes factores angiogénicos (VEGF) y
osteoinductores (BMPs) en ratas. Los modos no virales
como la transferencia génica mediada por genes
liposómicos han sido muy poco utilizados hasta ahora,
ya que presentan una baja eficiencia en la transferencia
de genes.
En la Bioingeniería de tejidos la terapia génica ha sido
utilizada para la formación de hueso nuevo in vivo e in
Vitro,
mediante
la
inserción
de
proteínas
morfogenéticas (BMP). La electroporación o
sonoporación han sido usados para transferir el gen
Gdf11 (que codifica para la proteína BMP11) para
amputar pulpa dental, estimular la formación y
reparación de dentina. En estos métodos se aíslan las
células madres de la pulpa dental con genes que
codifican para las BMP, y luego se implantan las
células dentro de la pulpa injuriada. Este procedimiento
ex vivo para transferir genes podría estimular la
reparación y formación de dentina más rápidamente
(16).
4. Estrategias basadas en células madre: La
investigación en este campo está dirigida a la búsqueda
de células madre, sus características, su presencia en
tejidos embriónicos y adultos y su utilidad terapéutica
en humanos.
En este modelo se utilizan bloques de células vivas
cuando un tejido es incapaz de cicatrizar un defecto, o
cuando se quiere diseñar un tejido u órgano in Vitro.
Para que una célula sea funcional en la ingeniería de
tejidos craneofaciales, debe seguir ciertos criterios:
*Capacidad de formar múltiples tejidos
*Baja inmunogenicidad
*Rapidez y facilidad de expansión en cultivos
*Accesible con mínima morbilidad para el sitio
donante.
La progenie de las células madre contenidas en la
medula ósea y en la pulpa dental parece tener un perfil
genético muy similar, en cuánto a la expresión de
factores de transcripción, factores de crecimiento,
proteínas de matriz extracelular, moléculas de adhesión
A.
y marcadores moleculares característicos de
fibroblastos. Por esta razón estas células tendrían la
posibilidad de diferenciarse en células endoteliales,
células nerviosas, células de músculo liso, células
óseas, células cartilaginosas y células específicas de
tejidos dentales; dependiendo de la inducción guiada
por factores biológicos o sintéticos dentro del cultivo
(17).
5. Construcción compleja de tejidos/órganos:
Depende del sitio donde se va a fabricar el tejido u
órgano.
a.
Biorreactivos
In
Vitro:
utiliza
moldes
tridimensionales con complejos celulares para
trasplantes eventuales.
b. Recipientes heterotópicos: utiliza células propias para
trasplantes heterotópicos.
c. Donador exógeno: utiliza animales como donantes de
órganos o tejidos (18).
BIOINGENIERÍA
PERIODONTALES:
DE
LOS
TEJIDOS
Se refiere a la ingeniería de cemento dental hueso
alveolar y ligamento periodontal. Debido a su origen
embriónico las células de los tejidos periodontales
responden a diferentes estímulos. Las células
ectomesenquimatosas indiferenciadas (SCLPD) están
siendo ampliamente estudiadas por su potencial en
bioingeniería de tejidos y regeneración del ligamento
periodontal.
Otras células que vienen siendo empleadas para la
regeneración periodontal, son las células de mucosa
oral producidas con ingeniería de tejidos (19), los
cementoblastos clonados (20) y los fibroblastos de piel
tratados con BMP-7 mediante ingeniería genética (21).
Los factores de crecimiento IGF-1 (factor de
crecimiento parecido a la insulina) (22), TGF-1 (factor
de crecimiento de transformación) (23), PDGF (factor
de crecimiento derivado de plaquetas) (24), FGF2
(factor de crecimiento fibroblástico) (25), BMP-2 (25),
BMP-4 (27), BMP-7 (28), BMP-12 (67) y EMD
(derivado de la matriz del esmalte) (29), han
demostrado resultados positivos en la regeneración
periodontal cuando son añadidos a las matrices
biológicas utilizadas en ingeniería de tejidos. El mayor
potencial clínico terapéutico está representado por las
BMP usadas en forma combinada con IGF-1 y PDGF
(30). Por otra parte el factor rhBMP ha demostrado ser
útil no solamente en regeneración periodontal, sino
también en la cicatrización de defectos óseos
cráneofaciales (31).
El FGF-2 ó bFGF (factor de crecimiento fibroblástico
básico) ha demostrado tener un alto potencial para
aumentar la actividad angiogénica y para inducir el
crecimiento de las células inmaduras del ligamento
periodontal (32). EMD también ha demostrado tener
efecto angiogénico (33). Sin embargo estos efectos no
son estables in vivo. Por esta razón se viene
investigando en técnicas con ingeniería genética de
VEFG combinada con PDGF, para estimular la
formación de nuevos vasos sanguíneos cuando son
añadidos al templete de la matriz biológica del tejido
que se quiere regenerar (34).
Aunque los avances de los últimos años han sido muy
importantes para el progreso de la terapia regenerativa
periodontal mediante bioingeniería, aún faltan muchas
investigaciones que ayuden a establecer esta terapia en
forma cotidiana para los tratamientos odontológicos.
BIOINGENIERÍA DE TEJIDOS DENTALES Y
DIENTES COMPLETOS:
Los procesos de morfogénesis dental se han
reproducido en varios laboratorios utilizando células
madre adultas para diferenciarse en varios tejidos.
Gronthos y col (2.000) (35), aislaron células de pulpa
dental y demostraron la capacidad de estas células para
producir grandes cantidades de dentina. Por otra parte
Harada y col (1999) han investigado la regulación
molecular de la proliferación y diferenciación de las
células madre en el epitelio del órgano del esmalte (36).
La matriz dentinal contiene BMP que pueden estimular
la formación de dentina en pulpa (odontoblastos) y la
formación de hueso en el tejido muscular (osteoblastos)
(37). Thesleff y col han descubierto “centros de
Señalización” en el epitelio del germen dental llamados
nudos del esmalte, que producen más de 10 factores de
crecimiento y diferenciación y son los encargados de la
formación de las cúspides dentales. Este mismo grupo
de investigación ha descubierto hasta el momento más
de 250 genes relacionados con el desarrollo dental.
Aunque aún no se puede fabricar totalmente un diente
completo utilizando la bioingeniería y la terapia con
células madre, debido a que se desconocen algunos
mecanismos de interacción entre las células, las
moléculas de señalización y los factores de crecimiento,
Chai y Slavkin proponen este procedimiento para la
bioingeniería de tejidos dentales (38):
BIOINGENIERÍA
CRÁNEOFACIALES:
DE
TEJIDOS
Las BMP han demostrado tener la capacidad de
aumentar la densidad ósea en experimentos realizados
in Vitro y en primates (39). Estas proteínas junto con el
VEGF, TGF y FGF producen crecimiento óseo en el
cráneo de animales jóvenes, cuando son liberados en el
organismo utilizando terapia génica con vectores virales
y no virales (40). Sin embargo actualmente se están
empleando implantes biodegradables tratados con
ingeniería genética, llamadas matrices activadas por
genes (GAM). Estas matrices aún no han sido
empleadas clínicamente en los huesos cráneofaciales,
pero este y otros modelos de matrices que emplean
ingeniería genética para liberar en el medio los genes
responsables de la inducción ósea, están siendo
actualmente objeto de investigación (41).
.
BIOINGENIERÍA DE PIEL, MUCOSA Y
GLÁNDULAS SALIVALES:
demostrado ser una herramienta novedosa en la
regeneración de la ATM.
Kim y col generaron cartílago de formas triangulares,
cuadradas y transversales utilizando condrocitos
embebidos en matrices de ácido poliglicólico con estas
formas específicas (44). Ciertas formas de corales
naturales contienen poros y una estructura
tridimensional similar a la de los huesos humanos, por
esta razón estas formas han sido utilizadas como
moldes de matriz para ingeniería de tejidos óseos y
periodontales (45).
Actualmente la bioingeniería del cóndilo y de los
defectos óseos de la ATM se está realizando mediante
la utilización de matrices tridimensionales creadas
exactamente para cada paciente con diseños asistidos
por computador.
CONCLUSIONES
.
Los productos comerciales de piel creada mediante
bioingeniería fueron los primeros reglamentados por la
FDA para el uso clínico (42). Un producto similar está
siendo probado como sustituto de mucosa oral, pero
aún no ha sido lanzado al mercado. Sin embargo las
aplicaciones terapéuticas de estos dos productos en
odontología son enormes.
La bioingeniería de las glándulas salivales representa
una buena oportunidad para aliviar las secuelas
producidas por el trauma, el cáncer o el síndrome de
Sjogren. Los pacientes que reciben radiación ionizante
para el tratamiento del cáncer de cabeza y cuello y los
pacientes con Síndrome de Sjogren sufren la pérdida
del tejido secretor de la glándula salival. Sin saliva
estos pacientes experimentan disfagia, caries rampante
infecciones mucosas y otras molestias en la cavidad
oral. Baum y colaboradores (43), iniciaron un programa
piloto para desarrollar una glándula salival artificial.
Esta glándula consta de un tubo ciego creado con
polímeros y células epiteliales que tiene un movimiento
unidireccional para la secreción de fluido. Este fluido
es generado a partir de terapia génica. En un
experimento realizado en ratas, se transfirió un gen para
la secreción de líquidos mediante el virus AdhAQP1.
Las ratas experimentales mostraron incremento en los
niveles de fluido cercanos a los niveles normales. Este
experimento ofrece una gran expectativa para el
tratamiento de este tipo de pacientes.
.
BIOINGENIERÍA DE LA ARTICULACIÓN
TEMPORO MANDIBULAR (ATM).
Aunque muchas patologías congénitas y adquiridas
afectan la ATM, existen pocas alternativas terapéuticas
para estos pacientes. La bioingeniería de tejidos ha
Antes implementar la bioingeniería de tejidos en la
práctica clínica, es necesario seguir investigando en:
*Los mecanismos de iniciación, diferenciación y
proliferación de las células madre adultas.
*La identificación de tejidos adultos que puedan ser
usados como fuente de células madre o como
recipientes de injertos autólogos en la bioingeniería de
estructuras dentales y cráneofaciales.
*Desarrollar métodos para caracterizar y cultivar las
células madre adultas provenientes de tejidos humanos.
*Identificar las matrices biológicas ideales para la
ingeniería de tejidos periodontales, pulpa, dentina,
esmalte, cartílago, hueso y dientes completos.
*Definir protocolos clínicos para el transplante de
tejidos humanos creados por bioingeniería, que
aseguren el éxito y la estabilidad del implante.
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