Cual de estas especializaciones es la mas importante?

11 de septiembre de 2010

Introducción a La Biotecnología

La Biotecnología es el uso o manipulación de organismos vivos, o compuestos obtenidos de los mismos, para la obtención de productos de valor para los seres humanos.

Los primeros organismos usados fueron microorganismos (como bacterias y hongos), aunque posteriormente se emplearon plantas y últimamente animales. La biotecnología tradicional incluía procesos microbianos, implemetos para la elaboración de la cerveza o el pan, la obtención de antibióticos o la depuración de aguas residuales. El término ha llegado a hacerse familiar desde el desarrollo, durante la década de 1970, de la ingeniería genética. La biotecnología moderna utiliza organismos modificados genéticamente para obtener beneficios mayores, o procedimientos completamente nuevos.

Obtención de láminas de piel humana mediante ingeniería de tejidos

Este estudio quiere desarrollar un sistema de cultivo de queratinocitos humanos sobre un equivalente dérmico que permita tratar varias lesiones producidas en la piel. Para ello:
1) Los queratinocitos de los cultivos primarios derivados de biopsias de piel son sembrados sobre una matriz de fibrina con fibroblastos humanos incluidos. Las células creciendo sobre los equivalentes dérmicos alcanzan confluencia y un epitelio estratificado es obtenido entre 20-25 días de cultivo. 2) Las láminas de piel producidas son removidas del fondo de los frascos de cultivo mediante un procedimiento simple y rápido, sin usar químicos o enzimas. Un número de ventajas, que incluye la expansión de los queratinocitos obtenidos de los cultivos primarios, la disponibilidad del plasma en los bancos de sangre y manipulación de la lámina obtenida in vitro permiten asegurar que este sistema es muy apropiado para el tratamiento de lesiones, pequeñas y/o extensas en la piel.

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA TISULAR

Esta disciplina es de carácter multidisciplinar, intenta ofrecer una alternativa a pacientes que por accidente o enfermedad han sufrido pérdidas de tejidos. Se apoya en la participación de especialistas en: Biología, Farmacología, Medicina y Ciencia de Materiales, para desarrollar procesos de regeneración tisular. El aporte del campo es muy importante ya que se hace necesaria su participación en el diseño y preparación de soportes para conseguir la proliferación celular, y para modular y controlar la liberación de compuestos bio activos característicos, necesarios para conseguir un proceso regenerativo adecuado. Se describen con detalle las metodologías que se usan en este campo, y la influencia de este campo en la sociedad y economía.
La ingeniería de tejidos se ha desarrollado durante las últimas décadas con el fin de devolver la funcionalidad y la salud de los tejidos que se han perdido, que están enfermos o que nunca han existido.



La ingeniería biomédica se define como la aplicación de la ingeniería a la medicina clínica y la cirugía. Esta ciencia se originó 200 años atrás con los estudios de electrofisiología realizados por Galvani y Volta. Hacia 1.960 los avances en la ingeniería mecánica, química y eléctrica junto con la investigación en fisiología y medicina empezaron a producir avances en el área de la salud.



La bioingeniería es la especialidad que aplica los principios de la ingeniería y las ciencias de la vida a la fabricación de sustitutos biológicos que mantengan, mejoren o restauren la función de órganos y tejidos en el cuerpo humano. La ingeniería de tejidos incluye ramas tan diversas como la biología celular, la micro fabricación, la robótica y la ciencia de los materiales para diseñar partes de reemplazo del cuerpo humano. También se conoce por el término de medicina regenerativa. A diferencia de las terapias estándar, los productos de la ingeniería son células vivas que se integran en el paciente.
La primera homo-transplantación de un miembro completo fue realizada por Santo Damian y Cosmas. Aunque el concepto fue descrito en la Biblia donde se dice que Dios tomo una costilla del hombre y crea a la mujer a partir de esta.

Dentro de las contribuciones más importantes de la ingeniería biomédica al área clínica se pueden destacar la creación de instrumentos para diagnóstico, terapia y rehabilitación de diferentes patologías. Una revolución en el diagnóstico de las enfermedades comenzó en 1.970 con la introducción de la tomografía computarizada, la resonancia magnética y las imágenes por ultrasonido. Estas herramientas han sido mejoradas con el uso de los computadores y los algoritmos. Son productos de la ingeniería biomédica: el implante coclear, el cardiodesfibrilador, los catéteres de ablasión y el uso del “Stent” para el tratamiento de aneurismas, enfermedad periférica y enfermedad coronaria. Estos han sustituido la cirugía. La medicina actual quiere acabar la cirugía invasiva con cámaras diminutas y guías laser que reducen la mortalidad y permiten una rehabilitación más rápida.



En 1965, Urist reporto la generación de tejidos estructurados, lo cual significa la autoinducción de hueso. En los 70s, Green describió una serie de experimentos relacionados a la generación de nuevo cartílago. En uno de los experimentos, cultivo condrocitos en espiculas de hueso estéril implantándolas en un ratón. Aunque los experimentos no fueron del todo favorables, Green postulo correctamente que el uso de nuevos materiales biocompatibles podría permitir cultivar las células en modelos sintéticos y luego ser implantados dentro de los animales para así generar nuevos tejidos funcionales.



En años recientes, numerosos autores han tratado de describir los procesos que envuelven el reemplazo del hueso o cartílago perdido debido a injurias o enfermedades. Se han utilizado tanto injertos autologos como heterologos. Los sustitutos de hueso y materiales aloplásticos han sido utilizados solos y en conjunto con hueso desmineralizado o con injertos autogenos de hueso. El tejido mesenquimal puede ser estimulado para diferenciarse en hueso por medio de polipéptidos, polvo de hueso demineralizado o ambos. Recientemente, células vivas han sido colocadas sobre implantes aloplásticos para producir hueso. La producción de cartílago por medio de la ingeniería de tejido ha sido reportada utilizando células sin ningún otro medio, células adheridas a matrices naturales, o por medio de estimulación de péptido.



Los descubrimientos que mostraron como las fuerzas mecánicas son potentes reguladores del crecimiento mediado por células, y de la degradación y reparación de los tejidos cardiovasculares y músculo-esqueléticos orientan el conocimiento de los mecanismos involucrados en la mecano-transducción celular y la señalización mecánica. Estos conocimientos son importantes para desarrollar nuevas terapias basadas en la ingeniería de tejidos, que en medicina están dirigidas al tratamiento de la osteoartritis, osteoporosis y arteroesclerosis, y en odontología están orientadas a la solución de problemas relacionados con la articulación temporomandibular y con el tratamiento de maloclusiones de origen esquelético.
La biotecnología, la ingeniería de tejidos, la biología molecular; son algunas de las áreas que han hecho contribuciones más rutilantes y sorprendentes y que abren nuevas esperanzas a las personas aquejadas de males para los cuales no había salida.
En ellas se produce la interrelación de disciplinas como la química, la biología molecular, la virología, la genética, entre muchas otras. El resultado se hace perceptible en nuevos y originales abordajes terapéuticos que aportan al arsenal de la medicina nuevas alternativas de tratamiento (y prevención) para numerosas afecciones.

CONSTRUCCIÓN DE TEJIDOS Y/U ÓRGANOS

Su construcción depende de la ubicación:
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.
Varios laboratorios en el mundo trabajan:

• Ingeniería de Hueso

Los defectos óseos secundarios a una lesión, enfermedad, y/o desórdenes congénitos representan un problema importante de salud. Las estrategias que se dirigen a sustituir los defectos óseos, incluyen el uso de injertos autologos, heterologos, y biomateriales sintéticos. Aunque éstos injertos devuelven la estabilidad y la función del tejido, todavía existen limitaciones. La bioingeniería ósea usa la estrategia conductiva y la inductiva para la regeneración de pequeños defectos. La regeneración tisular guiada (GTR) después de una cirugía periodontal, presenta un acercamiento conductivo en la regeneración del hueso. Las BMPs, proteínas relacionadas, y los genes que codifican estas proteínas permiten que se usen estrategias inductivas en situaciones donde GTR no es suficiente. En contraste, la estrategia de trasplante celular ofrece la posibilidad de pre-formar estructuras de hueso. Éstas estructuras se desarrollan en laboratorios antes de ser usadas. Para que la ingeniería de tejidos sea una realidad en la obtención de nuevo hueso con sus características morfológicas y funcionales, será necesario conocer los mecanismos involucrados en su formación normal.


 
• Ingeniería de cartílago

La destrucción del cartílago es común en muchas enfermedades y después de un trauma. El diseño de templetes de polímeros con propiedades mecánicas y de degradación ha permitido diseñar tejidos cartilaginosos en animales con tamaños y formas definidas que se usan en la reconstrucción cráneofacial.


 
• Ingeniería de Piel y mucosa oral

La aplicación más eficaz en la ingeniería de tejidos. El tejido de la piel es necesario en los tratamientos estéticos de pacientes que han sido desfigurados por quemaduras, en tratamientos por cáncer, o en el tratamiento de cicatrices por heridas de bala o cuchillos. Se está cultivando y desarrollando piel en laboratorios, componentes dermicos y epidérmicos, usando una combinación de células con polímeros como medio de transporte.
Una aproximación se ha desarrollado en el reemplazo de mucosa oral, aunque este procedimiento no ha sido definitivo. La ingeniería y trasplantación de mucosa oral y encía son importantes en los injertos periodontales y en los tratamientos de recesiones gingivales.
Las técnicas de ingeniería tisular ofrecen matrices biológicas o aloplásticas reabsorbibles con células vivas para la reconstrucción tridimensional de los tejidos afectados. Los sustitutos de mucosa oral desarrollados incluyen sustitutos basados en monocapas, sustitutos bicapa, Co-cultivos organotípicos y Co-cultivo de queratinocitos. Estos han sido usados en la reconstrucción secundaria de estructuras orales perdidas por tumores, en injertos realizados a pacientes con labio y paladar fisurado y en reconstrucción de tejidos perio dontales perdidos por trauma o por enfermedad periodontal.


• Ingeniería de dentina y pulpa dental

La producción de dentina y pulpa dental han sido desarrolladas en animales y en estudios in vitro usando las estrategias de ingeniería. El potencial de uso de esta ingeniería de tejidos se encuentra en la sustitución de material dentario perdido. Una de las estrategias es inducir la formación de células provenientes de la pulpa dental usando BMPs. La ingeniería de tejido pulpar también es posible usando fibroblastos cultivados y el uso de matrices sintéticas poliméricas.

La pulpa dental tiene la capacidad de generar dentina en respuesta a estímulos, como la caries.
La pulpa dental contiene stem cells progenitoras, que proliferan y diferencian odontoblastos formadores de dentina. Los odontoblastos dañados son reemplazados por nuevos derivados de stem cells de pulpa. Las células pulpares se diferenciaron en odontoblastos y fueron estimuladas por señales morfogenéticas, proteína morfogenética ósea 2 (BMP2). Basados en este hallazgo in vitro, se diseñó un experimento en perros, en el cual se realizó un transplante del cultivo de stem cells tratado con BMP2 sobre la pulpa amputada. Se observó que las BMP2 pueden diferenciar directamente las stem cells pulpares en odontoblastos formadores de dentina.




• Ingeniería de glándulas salivares:



La aplicación más excitante. Esta genera la necesidad de desarrollar una vasculatura de soporte metabólico para estos órganos. Para este propósito se están investigando dos procedimientos: 1) El transplante de células endoteliales y 2) La liberación de factores de crecimiento angiogénicos en los tejidos creados por ingeniería.
Los templetes sintéticos o naturales para el cultivo celular que simulan la arquitectura normal y la bioquímica de la superficie de los órganos reemplazados (colágeno, fibronectina) podrían impulsar el desarrollo de técnicas para el reemplazo de órganos funcionales. La biología de las células madre mesenquimatosas ofrece alternativas terapéuticas que deben seguir siendo investigadas. Es necesario entender profundamente las vías de señalización intracelular, los factores de transcripción y las secuencias de activación genética que controlan la diferenciación de células mesenquimatosas, en células bien definidas y totalmente caracterizadas.



La ingeniería de tejidos y el uso de stem cells, con la terapia génica permitirá manipular las proteínas salivales y los patrones de colonización de los microorganismos orales. Esta ciencia afectará la odontología porque ofrece una herramienta biológica, química y física para solucionar los problemas clínicos que involucran enfermedad periodontal, caries, tumores, trauma y anomalías dentomaxilofaciales.

Estrategias para trasplantes de Tejidos

El desarrollo de tecnologías para la reparación de cartílago, hueso, hígado, riñón, músculo esquelético, vasos sanguíneos y elementos del sistema nervioso permanece en progreso.
Las estrategias actuales usan injertos autologos y sintéticos. Muchos de estos avances presentan limitaciones como la insuficiente cantidad de tejidos donantes para realizar los injertos, la mala morfología de los injertos (mayor problema en los injertos óseos), grandes reabsorciones luego de los implantes. El estándar seria el tejido natural, por lo cual, se ha llegado a la ingeniería de un tejido nuevo a partir del mismo tejido preexistente.

Las estrategias que usa la bioingeniería para crear 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 más usadas son factores de crecimiento o proteínas de matriz extracelular. Esta combinación puede ser realizada en procedimientos conductivos, inductivos y de transplante de células.



1. Estrategias conductivas: Utilización de materiales pasivos como las membranas para guiar la regeneración tisular.
2. Estrategias inductivas: colocación de células o factores como proteínas morfogenéticas óseas (BMPs) que se activan en el sitio del defecto induciendo la formación de los tejidos.
3. Estrategias de trasplante celular: trasplante directo de células producidas en el laboratorio. El odontólogo toma la biopsia la envía al laboratorio y allí es colocada en moldes, que generan tejido para implantarlo.



Una falla muy común en las tres técnicas, es el uso del material polimérico el cual sirve como medio de transporte de células y tejidos fabricados, ya que al degradarse van a formar ácidos que afectan el sitio del injerto, por esta razón se están investigando nuevos materiales para realizar la movilización de estos injertos



El uso de la cerámica ha sido de tejidos de hueso, donde modelos porosos con hidroxiapatita han sido usados para llevar células osteoprogenitoras derivadas del periostio del hueso medular. Los polímeros sintéticos se han usado como materiales para los modelos debido a sus características de procesamiento. Estos materiales tienen un rango de degradación corto (días), o largo (meses). Los modelos poliméricos se encuentran como mallas fibrosas, esponjas porosas o hidrogeles.

FORMAS DE RESTAURACIÓN TISULAR

Los procedimientos inductivos activan células cercanas al tejido por señales específicas. Estos procedimientos se han fortalecido por el descubrimiento de factores de crecimiento osteogénicos y angiogénicos. Las proteínas de la matriz extracelular (MEC), 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 promueven la regeneración tisular. Para que la inducción tisular sea exitosa clínicamente, los factores biológicos de inducción deben activarse por el tiempo necesario. Por esa razón un objetivo de la bioingeniería es diseñar sistemas de liberación controlada. Las células incorporan el DNA liberado y producen cantidades suficientes de proteínas inductivas que promueven la neoformación de tejidos. La biocompatibilidad de las propiedades mecánicas del material y de aquellas del tejido es muy importante.
Se han desarrollado estrategias:

1. Modelo endógeno: se crea un hueso a partir del conocimiento de procesos naturales. Un ejemplo es el estudio de la distracción osteogénica en la cual se investigan los procesos moleculares que están involucrados para usar estrategias en la formación de hueso.



2. Estrategia de recombinación con bases proteicas: está basada en la colocación de factores de crecimiento exógenos, para aumentar la inducción de hueso o la cicatrización de un tejido. Muchos trabajos se han enfocado en suplir factores de crecimiento exógenos para aumentar la inducción ósea o la cicatrización de fracturas. En animales, los factores de crecimiento han sido administrados para aumentar la reparación de defectos craneofaciales de tejido óseo en cráneo, proceso cigomático, procesos alveolares, procesos periodontales y mandibulares. Entre las proteínas osteogénicas y angiogénicas que han sido investigadas están: el factor de crecimiento tranformante ßs (TGF-ßs), la activin A, las BMPs, el factor de crecimiento fibroblástico (FGF–1, FGF–2), factores de crecimiento parecidos a la insulina (IGF), factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) y hormonas de crecimiento (GH). Se ha usado BMP2 recombinante sobre esponjas de colágeno por medio de CT y de histología, para aumentar el proceso alveolar en pacientes que requieren aumento óseo de los defectos de las paredes bucales luego de las exodoncias. Se añaden factores de crecimiento directamente biodegradables para la fijación ósea en cirugías cráneofaciales.

3. Estrategias basadas en genes: El objetivo es el reclutamiento celular, la diferenciación, la producción de matriz y el ensamblaje ordenado de estructuras para la regeneración de tejidos. Dentro de los modos virales, los adenovirus han sido utilizados para los métodos basados en la transferencia genética como medio de transporte para los genes, presentan habilidad para infectar las células con nuevos genes, poseen eficiencia en la transfección y una capacidad transgénica. Se han empleado adenovirus para transportar potentes factores angiogénicos (VEGF) y osteoinductores (BMPs) en ratas. Los modos no virales como la transferencia génica mediada por genes liposómicos son han sido usados por la baja eficiencia.



4. Estrategias basadas en células: cuando un tejido es incapaz de cicatrizar un defecto, debe ser diseñado in vitro, se necesitan bloques de células vivas para sus requerimientos. Para que una célula sea funcional en la ingeniería de tejidos craneofaciales, debe seguir criterios, como ser capaz de formar múltiples tejidos, no ser inmunogénica, ser de rápida y fácil expansión en cultivos y ser accesible con mínima morbilidad para el sitio donante. Aunque las stem cells derivadas de embriones cumplen con los criterios, las controversias sobre la ética de la obtención de estas células, han conllevado al estudio de las stem cells derivadas de tejidos adultos. Las stem cells de hueso medular o BMSC, son las más usadas. La nueva fuente de stem cells adultas se encuentran en las células de tejido graso obtenidas luego de procedimientos como la liposucción. Estas células tienen la capacidad de diferenciarse a linajes adipogénicos, osteogénicos, condrogénicos o miogénicos. Algunos estudios sugieren que estas células de tejido adiposo migran hacia lugares de cicatrización ósea, sin embargo los procesos involucrados en la diferenciación de estas células, aún no se han aclarado totalmente.

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