Órganos y tejidos artificiales

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Los órganos artificiales son dispositivos diseñados para reemplazar temporal o permanentemente las funciones de los órganos nativos del receptor . Puede ser tanto permanente como temporal; tanto internos (para ser implantados en el cuerpo) como externos [1] .

Por definición, se entiende que el dispositivo no debe estar conectado permanentemente a una fuente de alimentación estacionaria ni a otras manipulaciones estacionarias, como cambios de filtro o procedimientos de tratamiento químico. (Recarga rápida periódica de baterías, recarga de productos químicos y/o limpieza/reemplazo de filtros, excepto por un dispositivo llamado órgano artificial.) [2] Por lo tanto, la máquina de diálisis es un dispositivo de soporte vital muy exitoso y crítico, reemplaza casi por completo las funciones de los riñones , pero no es un órgano artificial.

Cita

La fabricación e instalación de órganos artificiales, inicialmente extremadamente laboriosa y costosa, puede requerir años de mantenimiento constante que un órgano natural no requiere. [3]

El uso humano de cualquier órgano artificial casi siempre precede a la experimentación animal extensiva. [4] [5] [6] Las pruebas en humanos a menudo se limitan a aquellos que tienen una enfermedad terminal o que no han sido ayudados por otros tratamientos.

Ejemplos

Prótesis

Los brazos y piernas artificiales, o prótesis, están diseñados para restaurar la función de las extremidades amputadas. Los dispositivos mecánicos que permiten a los amputados volver a caminar o continuar usando las dos manos probablemente se han usado desde la antigüedad, [7] el más famoso de los cuales era una simple pieza de madera. Desde entonces, el desarrollo de prótesis ha progresado rápidamente. Los plásticos y otros materiales , como la fibra de carbono , han permitido que las extremidades artificiales se vuelvan más fuertes y livianas, lo que limita la cantidad de fuerza requerida para operar la extremidad. Los materiales adicionales permitieron que las prótesis se vieran mucho más realistas. [8]  Las prótesis se pueden clasificar aproximadamente en extremidades superiores e inferiores y pueden adoptar una variedad de formas y tamaños.

Los nuevos avances en prótesis incluyen niveles adicionales de integración con el cuerpo humano. Los electrodos se pueden colocar en el tejido neural y el tronco se puede entrenar para controlar la prótesis. Esta tecnología se ha utilizado tanto en animales como en humanos. [9]  La prótesis puede ser controlada directamente por el cerebro o por un implante en varios músculos. [diez]

Vejiga

Los dos métodos principales de reemplazo de la función vesical implican la redirección del flujo de orina o el reemplazo completo de la vejiga. [11]  Los métodos estándar para el reemplazo de la vejiga incluyen la fabricación de un saco vesical a partir de tejido intestinal. [11] A partir de 2017, se intentó hacer crecer la vejiga usando células madre en estudios clínicos , pero este procedimiento fue experimental . [12] [13]

Cerebro

Las neuroprótesis son una serie de dispositivos que pueden reemplazar una capacidad motora, sensorial o cognitiva que puede haber sido dañada por una lesión o enfermedad.

Los neuroestimuladores, incluidos los estimuladores cerebrales profundos, envían impulsos eléctricos al cerebro para tratar trastornos neurológicos y del movimiento, incluida la enfermedad de Parkinson , la epilepsia, la depresión resistente al tratamiento y otras afecciones, como la incontinencia urinaria. En lugar de reemplazar las redes neuronales existentes para restaurar la función, es más probable que estos dispositivos intervengan en los centros nerviosos que funcionan mal para aliviar los síntomas . [14] [15] [16]

En 2013, los científicos crearon un mini-cerebro que desarrolló componentes neurológicos clave antes de las primeras etapas de la maduración fetal. [17]

Cuerpos cavernosos

Para el tratamiento de la disfunción eréctil, ambos cuerpos cavernosos pueden reemplazarse quirúrgicamente de forma permanente con implantes de pene inflables . Esta es una operación terapéutica radical, reservada solo para hombres que sufren de disfunción sexual, que no son adecuados para todos los demás enfoques de tratamiento. Se puede manipular manualmente una bomba implantada en la ingle o el escroto para llenar estos depósitos artificiales, que son sustitutos del cuerpo cavernoso natural, desde el depósito implantado para lograr una erección. [Dieciocho]

Testículos

Los hombres que han sufrido anomalías testiculares como resultado de defectos de nacimiento o traumatismos han podido reemplazar el testículo dañado con una prótesis testicular. Aunque la prótesis no restaura la función reproductiva biológica, se ha demostrado que el dispositivo mejora la salud mental de estos pacientes. [19]

Oreja

En los casos en que una persona es completamente sorda o tiene problemas auditivos en ambos oídos, se puede implantar quirúrgicamente un implante coclear . Los implantes cocleares envuelven la mayor parte del sistema auditivo periférico, brindando una sensación de sonido a través de un micrófono y algunos dispositivos electrónicos que se ubican fuera de la piel, generalmente detrás de la oreja. Los componentes externos transmiten una señal a una serie de electrodos colocados en el caparazón, que a su vez estimula el nervio del oído. [veinte]

En caso de lesión del oído externo, puede ser necesaria una prótesis craneofacial.

Ojo

Hasta la fecha, el sustituto más exitoso para la función del ojo es una cámara digital miniaturizada externa con una interfaz electrónica unidireccional remota implantada en la retina, el nervio óptico u otras áreas relevantes dentro del cerebro. El estado actual de la técnica brinda solo una funcionalidad parcial, como el reconocimiento de niveles de brillo, patrones de color y/o formas geométricas básicas, lo que demuestra el potencial del concepto. [21]

Varios investigadores han demostrado que la retina realiza un preprocesamiento estratégico de imágenes para el cerebro. El problema de crear un ojo electrónico artificial completamente funcional es aún más difícil. Se espera que los avances en la conexión artificial a la retina, el nervio óptico o áreas relacionadas del cerebro, combinados con los avances actuales en informática, mejoren en gran medida el rendimiento de esta tecnología.

Corazón

Los órganos artificiales cardiovasculares se implantan en los casos en que el corazón , sus válvulas u otra parte del sistema circulatorio se daña de forma irreversible. Un corazón artificial generalmente se usa para esperar temporalmente un trasplante de corazón o si no es posible un reemplazo de corazón permanente. Los marcapasos artificiales son un dispositivo cardiovascular que se puede implantar para el aumento intermitente ( modo desfibrilador ), aumento continuo o derivación completa del marcapasos vivo natural del corazón, según sea necesario. Los dispositivos de soporte ventricular son otra alternativa, actuando como dispositivos circulatorios mecánicos que reemplazan parcial o totalmente la función de la insuficiencia cardíaca sin retirar el propio corazón. [22]

Además, se están investigando corazones de laboratorio y corazones bioimpresos en 3D. Actualmente, los científicos tienen una capacidad limitada para hacer crecer e imprimir corazones debido a la dificultad de hacer que los vasos sanguíneos y los tejidos trabajen juntos. [23] [24] [25]

Riñón

Se informó que científicos de la Universidad de California en San Francisco están desarrollando un riñón artificial implantable. [26] Desde 2018, estos científicos han hecho un progreso significativo, pero todavía están buscando formas de prevenir la coagulación de la sangre asociada con su implante. [27]

Hígado

HepaLife está desarrollando un dispositivo hepático bioartificial para tratar la insuficiencia hepática utilizando células madre. El hígado artificial está destinado a servir como una ayuda para permitir que el hígado se recupere o mientras espera un donante de hígado. Esto solo es posible por el hecho de que utiliza células hepáticas reales ( hepatocitos ) y, por lo tanto, no es un sustituto permanente. [28]

Investigadores en Japón han descubierto que una mezcla de células progenitoras de hígado humano (diferentes de las células madre pluripotentes inducidas por humanos) y otros dos tipos de células pueden formar espontáneamente estructuras tridimensionales llamadas "brotes hepáticos". [29]

Pulmones

Un pulmón artificial es un dispositivo implantado que oxigena la sangre y elimina el dióxido de carbono de la sangre. Un pulmón artificial está diseñado para asumir algunas de las funciones de un pulmón biológico. Se diferencia de una máquina de circulación extracorpórea en que es externa y está diseñada para realizar la función pulmonar durante períodos prolongados en lugar de hacerlo de manera temporal. [treinta]

La oxigenación por membrana extracorpórea (ECMO, por sus siglas en inglés) se puede utilizar para aliviar un estrés significativo en el pulmón nativo y el tejido cardíaco. En ECMO, se colocan uno o más catéteres en el paciente y se usa una bomba para forzar la sangre alrededor de las fibras de membrana hueca que intercambian oxígeno y dióxido de carbono con la sangre. Al igual que ECMO, la eliminación extracorpórea de CO2 (ECCO2R) tiene una estructura similar, pero beneficia principalmente al paciente al eliminar el dióxido de carbono en lugar de la oxigenación para facilitar la relajación y la curación. [31]

Ovarios

Las bases para el desarrollo del ovario artificial se sentaron a principios de la década de 1990. [32]

Las pacientes en edad reproductiva que desarrollan cáncer a menudo se someten a quimioterapia o radioterapia, lo que daña los ovocitos y conduce a una menopausia temprana. Se desarrolló un ovario humano artificial en la Universidad de Brown [33]  utilizando microtejidos autoorganizados creados con la nueva tecnología de placas de Petri 3D. En un estudio financiado y realizado por los NIH en 2017, los científicos lograron imprimir ovarios en 3D e implantarlos en ratones estériles. [34] [6]  El ovario artificial se usará para madurar ovocitos inmaduros en vidrio y desarrollar un sistema para estudiar el efecto de las toxinas ambientales en la foliculogénesis .

Páncreas

Un páncreas artificial se usa para reemplazar la función endocrina de un páncreas sano para diabéticos y otros pacientes que lo necesitan. Puede usarse para mejorar la terapia de reemplazo de insulina hasta que el control glucémico esté cerca de lo normal, como se ve al evitar las complicaciones de la hiperglucemia, y también puede aliviar la carga de la terapia para los insulinodependientes. Los posibles enfoques incluyen el uso de una bomba de insulina controlada, el desarrollo de un páncreas bioartificial que consta de una lámina biocompatible de células beta encapsuladas o el uso de terapia génica. [35] [36]

Timo

No existe ningún implante que realice la función de la glándula timo. Sin embargo, los investigadores pudieron hacer crecer el timo a partir de fibroblastos reprogramados . Expresaron la esperanza de que este enfoque algún día pueda reemplazar o complementar el trasplante de timo neonatal . [37]

Desde 2017, los investigadores de UCLA han desarrollado un timo artificial que, aunque aún no se puede implantar, es capaz de realizar todas las funciones de un timo real. [38]

Tráquea

El campo de las tráqueas artificiales ha estado bajo gran escrutinio gracias al trabajo de Paolo Macchiarini en el Instituto Karolinska y en otros lugares desde 2008 hasta 2014, con cobertura de primera plana en periódicos y televisión. Surgieron preocupaciones sobre su desempeño en 2014, y en 2016 fue despedido y la alta gerencia de la Universidad Karolinska fue despedida, incluidas las personas involucradas con el Premio Nobel. [39] [40]

A partir de 2017, el desarrollo de la tráquea, un tubo hueco con células, resultó ser más difícil de lo que se pensaba originalmente. Los desafíos incluyen la difícil situación clínica de las personas que se desempeñan como candidatos clínicos que, por lo general, ya se han sometido a varios procedimientos; crear un implante que pueda desarrollarse e integrarse completamente con el huésped mientras resiste las fuerzas respiratorias, así como el movimiento de rotación y longitudinal de la tráquea. [41] Un problema particular es la elección de métodos para la vitalización de un implante obtenido a partir de material artificial o natural, ya que el uso de células de diversas fuentes puede estimular la migración de células huésped al volumen del material del implante o la proliferación de células donantes pobladas en el material. [42]

Mejora humana

También es posible diseñar e instalar un órgano artificial para darle a su propietario habilidades que no se encuentran en la naturaleza. Se están realizando investigaciones en las áreas de la visión, la memoria y el procesamiento de la información. Algunas investigaciones en curso se centran en restaurar la memoria a corto plazo en víctimas de accidentes y la memoria a largo plazo en pacientes con demencia.

Un área de éxito se produjo cuando Kevin Warwick realizó una serie de experimentos para extender su sistema nervioso a través de Internet con el fin de controlar un brazo robótico y la primera comunicación electrónica directa entre los sistemas nerviosos de dos personas. [43]

Esto también puede incluir la práctica actual de implantar chips subcutáneos con fines de identificación y ubicación (como etiquetas RFID). [44]

Microchips

Los chips de órganos son dispositivos que contienen microvasos huecos llenos de células que imitan tejidos u órganos como un sistema microfluídico que puede proporcionar información clave sobre señales químicas y eléctricas. [45]

Esta información podría crear varias aplicaciones, como la creación de "modelos humanos en vidrio" para órganos sanos y enfermos, el avance de fármacos en la detección de toxicidad y la sustitución de pruebas con animales. [45]

El uso de tecnologías de cultivo celular en 3D permite a los científicos recrear la ECM compleja que se encuentra en los animales vivos para imitar las respuestas humanas a los medicamentos y enfermedades humanos. Los órganos en chips se están utilizando para reducir las tasas de fallas en el desarrollo de nuevos medicamentos; la microingeniería permite modelar el microambiente como un órgano.

Véase también

Notas

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