Encapsulación , o encapsulación (también microencapsulación / microencapsulación ) de células - una tecnología que consiste en la inmovilización de células viables en una membrana o matriz polimérica semipermeable que permite la difusión bidireccional de moléculas de oxígeno, nutrientes, factores de crecimiento y otros necesarios para el metabolismo celular, y difusión externa de productos de vida y proteínas terapéuticas, evitando al mismo tiempo su contacto con células inmunitarias y proteínas de gran tamaño que pueden iniciar una respuesta inmunitaria y destruir estas células.
El objetivo principal de los desarrollos en el campo de la encapsulación celular es superar el rechazo del trasplante en la ingeniería de tejidos y, por lo tanto, reducir la necesidad del uso a largo plazo de inmunosupresores después del trasplante de órganos y tejidos.
Los primeros experimentos exitosos en la dirección de la encapsulación celular en membranas poliméricas fueron publicados en 1934 por Vincenzo Bisceglie [1] . El demostró que las células tumorales en una estructura polimérica trasplantada en la cavidad abdominal de un cerdo permanecen viables durante un largo período sin ser rechazadas por el sistema inmunitario .
Treinta años después, en 1964, Thomas Chang propuso la idea de encapsular células en membranas ultrafinas, y acuñó el término "células artificiales" para definir el concepto de bioencapsulación. Él planteó la hipótesis de que estas cápsulas de gotas no solo protegerían a las células latentes del rechazo inmunológico, sino que también proporcionarían una alta relación superficie-volumen, lo que aumentaría el suministro de oxígeno y nutrientes. Veinte años más tarde, este enfoque se puso en práctica con éxito en modelos de animales pequeños cuando se desarrollaron microcápsulas de alginato-polilisina-alginato (APA) para trasplante de células de los islotes en ratas diabéticas . El estudio mostró que las células permanecieron viables y controlaron los niveles de glucosa durante varias semanas. En 1998, comenzaron los ensayos en humanos: las células productoras de citocromo P450 encapsuladas se utilizaron con éxito en el cáncer de páncreas inoperable. La prolongación de la vida de los pacientes fue aproximadamente el doble que la de casos similares previamente conocidos.
Las células encapsuladas brindan a los investigadores y médicos una serie de opciones adicionales. En primer lugar, dichas células pueden liberar fármacos durante mucho tiempo en el lugar de su implantación. Dichos métodos de administración de fármacos son más precisos y económicos que los tradicionales. En segundo lugar, es posible utilizar animales y células genéticamente modificadas en caso de escasez de donantes. En tercer lugar, se pueden administrar células artificiales a diferentes pacientes independientemente de su antígeno leucocitario, lo que reduce el coste del tratamiento.
El potencial del uso de células microencapsuladas en ensayos clínicos exitosos puede materializarse si se cumplen los requisitos que surgieron durante el proceso de desarrollo, como el uso de un polímero biocompatible apropiado que forme una membrana semipermeable mecánica y químicamente estable; producción de microcápsulas del mismo tamaño; el uso de policationes inmunocompatibles apropiados; selección del tipo celular apropiado.
BiomaterialesEl uso del mejor biomaterial según la aplicación es fundamental en el desarrollo de sistemas de administración de fármacos e ingeniería de tejidos. El alginato es muy utilizado debido a su disponibilidad y bajo costo, pero también se han utilizado otros materiales como la celulosa, el sulfato de colágeno, el quitosano, la gelatina y la agarosa.
AlginatoVarios grupos han estudiado en detalle varios polímeros naturales y sintéticos con el objetivo de desarrollar el biomaterial más adecuado para la microencapsulación de células. Los polímeros de alginato natural se consideran los materiales más adecuados para la microencapsulación debido a su disponibilidad, excelente biocompatibilidad y fácil biodegradabilidad.
El alginato no está exento de inconvenientes. Algunos investigadores creen que el alginato de ácido manurónico alto puede causar una respuesta inflamatoria y un crecimiento celular anormal. Otros han demostrado que el alginato con alto contenido de ácido glucurónico conduce a un crecimiento celular aún más activo y a una respuesta inflamatoria in vivo. Incluso los alginatos ultrapuros pueden contener endotoxinas y polifenoles , que pueden comprometer la biocompatibilidad de las células encapsuladas resultantes. La purificación de alginatos reduce el contenido de endotoxinas y polifenoles, pero cambia las propiedades del biomaterial.
Modificación y funcionalización de alginatoLos investigadores también han podido desarrollar microcápsulas de alginato remodeladas con mayor biocompatibilidad y alta resistencia al hinchamiento osmótico. Otro enfoque para aumentar la biocompatibilidad de una membrana de biomaterial es modificar la superficie de la cápsula utilizando moléculas de péptidos y proteínas que, a su vez, controlan la tasa de proliferación y diferenciación de las células encapsuladas. Un grupo que está trabajando activamente para vincular la secuencia de aminoácidos Arg-Gly-Asp (RGD) a los hidrogeles de alginato ha demostrado que el comportamiento celular puede controlarse mediante la densidad RGD en combinación con un gel de alginato. Las micropartículas de alginato cargadas con células de mioblastos y RGD funcionalizado permitieron controlar el crecimiento y la diferenciación de las células cargadas. Otro factor importante que controla el uso de microcápsulas celulares en la práctica clínica es el desarrollo de un policatión inmunocompatible adecuado para recubrir las perlas de alginato, que de otro modo serían muy porosas, y por lo tanto conferir estabilidad y protección inmunitaria al sistema. La poli-L-lisina es el policatión más utilizado, pero su baja biocompatibilidad limita el uso clínico exitoso de estas microcápsulas formuladas con poli-L-lisina que atraen células inflamatorias, lo que induce la necrosis de las células cargadas. Los estudios también han demostrado que las microcápsulas de alginato-P-L-L-alginato (APA) mostraron una baja estabilidad mecánica y una vida útil corta. Por lo tanto, varios grupos de investigación han buscado alternativas a P-L-L y han mostrado resultados prometedores con poli-L-ornitina y poli(clorhidrato de metileno-co-guanidina) en la fabricación de microcápsulas fuertes con resistencia mecánica alta y controlada para la encapsulación celular. Varios grupos también han explorado el uso de quitosano, que es un policatión natural, como un posible reemplazo de P-L-L en la fabricación de microcápsulas de alginato-quitosano (AX) para programas de administración de células. Sin embargo, los estudios también han demostrado que la estabilidad de las membranas de alginato-quitosano es nuevamente limitada, y un grupo mostró que la modificación de las microcápsulas de alginato-quitosano con genipina (naturalmente, un glucósido iridoide de la fruta de gardenia), forma microcápsulas de alginato-quitosano reticuladas con genipina. (GACh), permite aumentar la estabilidad de las microcápsulas cargadas celularmente.
GelatinaLa gelatina se obtiene desnaturalizando el colágeno . Al poseer muchas de las propiedades deseadas, como biodegradabilidad, biocompatibilidad, no inmunogenicidad en condiciones fisiológicas y fácil procesamiento, este polímero es una buena opción para la ingeniería de tejidos. Se utiliza en la ingeniería de tejidos de piel, huesos y cartílagos.
QuitosanoEl quitosano es un polisacárido que consta de unidades monoméricas distribuidas al azar de D-glucosamina y N-acetil-D-glucosamina conectadas por enlaces β-(1-4). Obtenido a partir de la N-desacetilación y la hidrólisis parcial de la quitina, se estudia activamente para los problemas de los sistemas de administración de fármacos (incluida la terapia dirigida), llenando el espacio de los implantes, cubiertas y apósitos. La desventaja de este polímero son sus débiles propiedades mecánicas, pero se usa con éxito para la encapsulación celular en combinación con otros polímeros, en particular, colágeno.
AgarosaLa agarosa es un polisacárido derivado de algas marinas que se utiliza para la nanoencapsulación celular y las células en suspensión de agarosa, que se pueden alterar para formar microperlas al bajar la temperatura durante la preparación. Sin embargo, una de las desventajas de las microesferas preparadas de esta manera es la posibilidad de acceso celular a través de la pared de la matriz polimérica después de la formación de la cápsula.
Sulfato de celulosaEl sulfato de celulosa se deriva del algodón y, cuando se procesa adecuadamente, se puede utilizar como una base biocompatible en la que se inmovilizan las células. Cuando se añade una suspensión de células en una solución de sulfato de celulosa polianiónica a una solución de otro polímero policatiónico (p. ej., pDADMAC), se forma una membrana semipermeable alrededor de las células suspendidas como resultado de la gelificación entre los dos poliiones. Tanto las células de mamíferos como las bacterias siguen siendo viables en tales condiciones y continúan replicándose dentro de la cápsula de la membrana. Por lo tanto, a diferencia de otros materiales de encapsulación, este enfoque se puede utilizar para cultivar células mediante su acción como minibiorreactor. La naturaleza biocompatible del material se ha demostrado en estudios que utilizan cápsulas de implante llenas de células, así como cápsulas de material aislado.[ ¿Qué? ] . Las cápsulas de sulfato de celulosa se han probado con éxito en ensayos preclínicos y clínicos tanto en animales como en humanos, principalmente para la terapia de tumores, pero continúan estudiándose para otras aplicaciones.
El uso de un biomaterial ideal de alta calidad con propiedades inherentes de biocompatibilidad es el factor más importante que determina la eficacia a largo plazo de esta tecnología. El biomaterial ideal para la encapsulación celular debe ser uno que sea totalmente biocompatible y que no provoque una respuesta inmunitaria en el huésped, y que no interfiera con la homeostasis celular , como para garantizar una alta viabilidad celular. Sin embargo, una de las principales limitaciones ha sido la incapacidad de reproducir diferentes biomateriales y los requisitos para comprender mejor la química y la biofuncionalidad de los biomateriales y el sistema de microcápsulas. Varios estudios han demostrado que la modificación de la superficie de estas células que contienen micropartículas permite el control del crecimiento y la diferenciación celular de las células encapsuladas. Un estudio ha propuesto el uso del potencial zeta, que mide la carga eléctrica de una microcápsula, como un medio para predecir la interacción interfacial entre la microcápsula y el tejido circundante y, a su vez, la biocompatibilidad del sistema de administración.