Acta Otorrinolaringol Esp. 2015;66(1):43---48
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ARTÍCULO DE REVISIÓN
Conceptos y aplicaciones de la ingeniería tisular en Otorrinolaringología Leandro Ribeiro ∗ , Eugénia Castro, Manuela Ferreira, Diamantino Helena, Raquel Robles, António Faria e Almeida y Artur Condé Department of Otorhinolaryngology of Vila Nova de Gaia/Espinho Hospital Center, Portugal Recibido el 17 de enero de 2014; aceptado el 10 de marzo de 2014 Disponible en Internet el 25 de octubre de 2014
PALABRAS CLAVE Ingeniería de tejidos; Cuerdas vocales; Oreja; Rinoplastia; Tráquea; Perforación de la membrana timpánica
KEYWORDS Tissue engineering; Vocal cords; Ear pinna; Rhinoplasty; Trachea; Tympanic membrane perforation
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Resumen Introducción: La ingeniería de tejidos es un campo en rápido desarrollo, haciendo unos sustitutos biológicos para la reparación y regeneración de tejidos da˜ nados, jugará un papel importante en el futuro de la Otorrinolaringología. Objetivo: En este artículo se explican los principios de la medicina regenerativa y sus posibles aplicaciones en Otorrinolaringología. Materiales y métodos: Los autores han buscado en la literatura publicada sobre el tema, eligieron referencias pertinentes y se extrajo y sistematizado de la fecha. Resultados y conclusiones: Hay posibilidades muy interesantes para futuros tratamientos en Otorrinolaringología que aplican los conceptos de la ingeniería de tejidos. © 2014 Elsevier Espa˜ na, S.L.U. y Sociedad Espa˜ nola de Otorrinolaringología y Patología CérvicoFacial. Todos los derechos reservados.
The concepts and applications of tissue engineering in Otorhinolaryngology Abstract Introduction: Tissue engineering is a rapidly developing field that, making biological substitutes for the repair and regeneration of damaged tissues, will play an important role in the future of otorhinolaryngology. Objective: In this article we explain the principles of regenerative medicine and its potential applications in Otorhinolaryngology. Materials and methods: The authors searched the published literature on this topic, chose relevant references, and extracted and systematized the data.
Autor para correspondencia. Correo electrónico: [email protected] (L. Ribeiro).
http://dx.doi.org/10.1016/j.otorri.2014.03.007 0001-6519/© 2014 Elsevier Espa˜ na, S.L.U. y Sociedad Espa˜ nola de Otorrinolaringología y Patología Cérvico-Facial. Todos los derechos reservados.
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L. Ribeiro et al Results and conclusion: There are some exciting possibilities for future treatments in otorhinolaryngology applying the concepts of tissue engineering. © 2014 Elsevier Espa˜ na, S.L.U. and Sociedad Espa˜ nola de Otorrinolaringología y Patología Cérvico-Facial. All rights reserved.
Introducción En la época actual, el paradigma de la medicina cambia constantemente, a medida que van surgiendo nuevos conceptos y métodos de soporte vital y control de las enfermedades. La ingeniería tisular se está convirtiendo en uno de los tratamientos de referencia más prometedores de la práctica médica. Basándose en procedimientos tecnológicos altamente avanzados, la reconstrucción de tejidos y órganos puede convertirse, a corto plazo, en el tratamiento puntero para un creciente número de situaciones médicas en las que las intervenciones farmacológicas o quirúrgicas clásicas tienen una eficacia limitada. De hecho, los avances recientes en este campo muestran claramente unos resultados impresionantes en cuanto a la rehabilitación de órganos y tejidos, funcional o estructuralmente comprometidos1 . La Otorrinolaringología, como especialidad médica con un amplio abanico de intervenciones quirúrgicas, asume de modo natural el liderazgo en la aplicación de las técnicas de la ingeniería tisular. El objetivo de esta revisión es describir los fundamentos de la medicina regenerativa y sus posibles aplicaciones en Otorrinolaringología.
Fundamentos El principal objetivo de la ingeniería tisular es la restauración de los tejidos funcionales o estructurales, utilizando elementos vivos que se integrarán posteriormente en los pacientes1 . En este proceso, existen generalmente tres componentes básicos presentes: las células, los factores reguladores/de crecimiento y los andamiajes, que pueden utilizarse simultáneamente, o no2,3 .
Células Muchos documentos publicados en los últimos 20 a˜ nos se han centrado principalmente en la terapia celular1 , que consiste en el depósito de células vivas seleccionadas en un andamiaje adecuado que, cuando se expone a un microentorno específico, se multiplicará y diferenciará en la estructura deseada. Pueden utilizarse diferentes subtipos celulares: las células madre y las células adultas1---3 . Las células madre se caracterizan, no solo por su capacidad de autorenovación continua e ilimitada, sino también por la posibilidad de diferenciarse en cualquier fenotipo celular2 . Se supone que las células madre son las que mayor potencial tienen dentro la medicina regenerativa, aunque su uso está limitado por cuestiones éticas, y por el posible riesgo de transformación neoplástica. Las células madre pueden obtenerse de los tejidos embrionarios o maduros. Las células embrionarias se derivan de los blastocitos, y
por tanto pueden transformarse en cualquier tipo de célula madura de las tres capas germinales4 . Por otro lado, las células madre adultas pueden recolectarse de ciertos nichos del cuerpo, por ejemplo la médula, el tejido adiposo o el sanguíneo4 , no tienen una potencia totalmente diversa, ya que se posicionan en la última etapa de la línea diferenciadora, y tienen una capacidad finita de multiplicación, dependiendo del origen del tejido. Las células adultas pueden obtenerse a partir de una muestra de biopsia del tejido a regenerar, y su replicación es inducida in vitro antes de ser trasplantadas. Al ser filogenéticamente más avanzadas, las células adultas no tienen la capacidad de replicarse indefinidamente, o transformarse en diferentes tipos de células. Estas características, junto a la posibilidad de perpetuación de los cambios patológicos preexistentes en el órgano o tejido donantes, constituyen unas limitaciones importantes para su uso.
Factores reguladores/de crecimiento Los factores de crecimiento son moléculas que regulan la proliferación, diferenciación y función celulares, y que por tanto pueden inducir, acelerar o inhibir dichos procesos celulares. Constituyen un elemento esencial para la medicina regenerativa. Dependiendo de la técnica utilizada, estas moléculas pueden incluirse en un andamiaje, que sirve como medio para controlar su liberación, y que controlará e influirá en el crecimiento celular3 .
Andamiajes Los andamiajes son estructuras tridimensionales porosas que aportan un soporte mecánico y una protección física a las células y factores de crecimiento2 . Dichos andamiajes deberán estar compuestos por una matriz biocompatible y reabsorbible1,2,5 , que permite una regeneración tisular completa. El colágeno y la fibrina son los materiales más comúnmente utilizados, y se obtienen generalmente de fuentes naturales; también puede utilizarse el ácido poliglicólico, un polímero sintético2 .
Aplicaciones de la ingeniería tisular en Otorrinolaringología Laringología Las cuerdas vocales son capaces de vibrar a una frecuencia de hasta 1000 Hz3 , debido a su microestructura que se compone del epitelio, la lámina propria y el músculo vocal. La lámina propria se compone de una capa superficial (espacio de Reinke), una capa intermedia y una capa más profunda,
Conceptos y aplicaciones de la ingeniería tisular en Otorrinolaringología cada una de las cuales consta de componentes celulares específicos, relacionados finalmente con la función orgánica. El epitelio estratificado cubre la superficie total de las cuerdas vocales, y representa una barrera frente a las agresiones físicas, químicas y microbiológicas5 . Los fibroblastos son los principales tipos de células de la lámina propria. Estas células se producen e integran en una matriz extracelular. Dicha matriz soporta todas las células tisulares y desempe˜ na un papel importante en la regulación de la migración, proliferación y diferenciación celular6,7 . El ácido hialurónico abunda particularmente en la capa superficial de la lámina propia, hidratando las cuerdas vocales y haciéndolas compresibles. Las capas restantes se componen principalmente de colágeno y elastina que son responsables, respectivamente, de la resistencia elástica y de la tracción de las cuerdas vocales5,6 . Cuando se altera la ultraestructura de la matriz extracelular, bien debido a intervenciones quirúrgicas o a factores tales como infecciones, traumatismos o radiaciones, puede producirse un trastorno de la función vibrátil de las cuerdas vocales6,8,9 . En tales situaciones, existe normalmente un proceso de curación aberrante que favorece el depósito de colágeno y la disminución de la producción de ácido hialurónico y fibras de elastina, que, en último caso, produce la formación de cicatrices, que son responsables de la disfonía. Se han descrito una serie de intervenciones terapéuticas para impedir y/o tratar las cicatrices o la atrofia de las cuerdas vocales, invariablemente con un éxito limitado, debido a la dificultad de restablecer la onda mucosa. Por ello, el objetivo de la medicina regenerativa en relación a las cuerdas vocales es la restauración de las funciones vibratoria y respiratoria de la laringe mediante la reconstrucción de la matriz extracelular de la lámina propria, utilizando los elementos que se describen posteriormente.
Factores reguladores/de crecimiento Los factores de crecimiento son los únicos elementos que han sido aplicados exitosamente hasta la fecha en la bioingeniería de las cuerdas vocales5,10 . Entre ellos, el factor de crecimiento de los fibroblastos asume una posición importante, ya que tiene una función esencial en la regulación de la formación de cicatrices. Hirano demostró que el factor de crecimiento de los fibroblastos mejoraba la producción de ácido hialurónico por parte de los fibroblastos de las cuerdas vocales, a la vez que inhibía el depósito local de colágeno11,12 . Describió un caso clínico en el que se utilizaba el factor de crecimiento de los fibroblastos en el tratamiento de la atrofia de las cuerdas vocales de un varón de 63 a˜ nos, con clara mejora de los parámetros acústicos a la semana de la intervención12 . Otra citoquina que se ha venido estudiando cada vez más para el tratamiento de las cicatrices vocales es el factor de crecimiento de los hepatocitos, debido principalmente a sus propiedades antifibróticas y angiogénicas5 . De modo similar al factor de crecimiento de los fibroblastos, el factor de crecimiento de los hepatocitos estimula también la producción de ácido hialurónico y elastina, e inhibe la síntesis del colágeno13,14 . Hirano realizó otro experimento, al inyectar hidrogel impregnado del factor de crecimiento de los hepatocitos en las cuerdas vocales previamente da˜ nadas
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de un cánido. Aquí se observó la regeneración estructural de la cuerda vocal, con una mejora de la onda mucosa3,5 . A pesar de los prometedores resultados, el perfil de seguridad de estos factores de crecimiento de nuevo uso no ha sido totalmente definido, habiéndose considerado que el riesgo de transformación maligna limita considerablemente su aplicación clínica5 .
Andamiajes Cualquier andamiaje utilizado en Otorrinolaringología deberá tener unas características estructurales, una composición química y unas propiedades mecánicas similares a las de la lámina propria. Dichos andamiajes deberían componerse de material biocompatible y reabsorbible que promueva la adhesión, proliferación y diferenciación celular, a fin de permitir la restauración exitosa de la matriz extracelular5,15 . Se han utilizado gran variedad de materiales, tales como hidrogeles basados en ácido hialurónico (Carbylan-SX y Carbylan-GSX)12 . Estos biomateriales, cuando se aplican a una cuerda vocal da˜ nada (como en una biopsia profunda), modulan la formación de cicatrices y conservan por tanto las propiedades viscoelásticas de las cuerdas vocales9 . También se han utilizado los andamiajes biológicos acelulares como alternativa a los hidrogeles. Dichas estructuras se derivan de la mucosa intestinal porcina, la lámina propria de las cuerdas vocales bovinas, o la vena umbilical humana. Se someten a procedimientos de descelularización basados en una respuesta inmune desencadenada mediante el contacto con los fibroblastos de las cuerdas vocales humanas16 . Kishimoto et al.17 realizaron un estudio en 6 pacientes con una cicatriz o sulcus en la cuerda vocal, a los que se colocó dichos andamiajes en una bolsa epitelial, tras la extirpación del tejido cicatricial. A los 6 meses de la intervención, se observó una restauración considerable de la matriz extracelular, con mejora de los parámetros acústicos, y degradación total del material del andamiaje. Por tanto, constituye un recurso médico prometedor.
Células La terapia celular en laringología se basa en la inyección de células, que producirán elementos de la matriz extracelular, originando la reconstrucción de la microestructura de la cuerda vocal. Dichas células son generalmente fibroblastos18 , células madre del tejido medular o adiposo19 (que son capaces de producir, in vitro, todos los elementos de la cuerda vocal)20 , y células madre del tejido embrionario21 . En todos los estudios celulares basados en terapias, se ha observado una clara mejora de las propiedades fibroelásticas de las cuerdas vocales18---21 . Sin embargo, el riesgo potencial de transformación neoplástica de los tejidos diana3,5 , y muchas cuestiones éticas en relación a la manipulación de células embrionarias, han limitado su uso.
Cirugía plástica y reconstructiva Muchas intervenciones de cabeza y cuello, tales como las rinoplastias, septoplastias, correcciones de perforación septal, o reconstrucciones del pabellón auricular,
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implican el uso de cartílagos autólogos, que se obtienen del septo nasal, costillas o concha2 . A pesar de ser un recurso limitado en cuanto a su extensión finita y configuración geométrica particular, el cartílago septal ha sido el más comúnmente utilizado, debido a sus características estructurales y accesibilidad22,23 . Por ello, la ingeniería tisular puede resultar una alternativa, con la posibilidad de originar una mayor cantidad de cartílago con la forma deseada. El primer trabajo sobre este área, y el más popular, fue publicado en 1997 por Cao et al.24 Se describió la producción de una matriz de cartílago con forma de oreja para tratar a un ni˜ no de tres a˜ nos, utilizando condrocitos bovinos, a˜ nadidos a una matriz de ácido poliglicólico previamente moldeada (andamiaje). Dichos elementos se implantaron en la espalda de un ratón de laboratorio, observándose los condrocitos de nueva replicación a las 12 semanas. Más recientemente, Yanaga et al.25 publicaron una serie de 4 casos en los que la técnica quirúrgica de reconstrucción de una microtia congénita se basó en la bioingeniería. En tales casos, los condrocitos se obtuvieron del cartílago conchal y se expandieron in vitro para formar una matriz, a la que se a˜ nadió el factor de crecimiento de los fibroblastos. A continuación se implantó el tejido resultante subcutáneamente, de modo superficial sobre la fascia abdominal durante unos 6 meses, originando gran cantidad de cartílago maduro que posteriormente se adaptó y trasplantó a la piel temporal, a fin de reconstruir el pabellón auricular. Se realizó un seguimiento de estos pacientes durante 5 a˜ nos, con buenos resultados. En particular, no se observó reabsorción alguna del tejido cartilaginoso. El mismo equipo aplicó este procedimiento a la rinoplastia26 . De modo similar, se inyectó subcutáneamente en el dorso nasal una matriz gelatinosa obtenida de los condrocitos recolectados en el cartílago conchal, originando un sólido neocartílago en dos semanas. En este estudio, 75 pacientes fueron sometidos a un seguimiento de 6 a˜ nos desde la intervención quirúrgica, obteniéndose resultados prometedores. Por tanto, estas intervenciones pueden suponer una alternativa al uso de otros materiales, particularmente el ácido hialurónico, que es absorbido a lo largo de los a˜ nos de manera considerable.
un carcinoma tiroideo. Los autores utilizaron una matriz de polipropileno como andamiaje, recubierta de colágeno recolectado de una dermis porcina, que fue localmente implantada, tras la resección del segmento traqueal da˜ nado. A las dos semanas de la intervención, el tejido implantado se había integrado plenamente en las estructuras adyacentes, observándose la regeneración completa del epitelio respiratorio a los 2 a˜ nos, sin complicación alguna. Macchiarini et al. sugirieron una técnica diferente en 200831 . En este documento, los autores describen la reconstrucción bronquial en un paciente de 30 a˜ nos, que padecía broncomalacia avanzada. Se utilizó como andamiaje el bronquio de un cadáver, previamente sometido a procedimientos de descelularización, al que se a˜ nadieron células epiteliales y condrocitos recolectados del bronquio sano. El material obtenido se sometió a anastomosis con el bronquio afectado, observándose un alivio sintomatológico inmediato. El paciente recibió el alta a los 10 días de la operación. Estos trabajos ilustran la posibilidad de reconstruir los segmentos comprometidos de las vías aéreas, utilizando técnicas recientes de bioingeniería.
Cirugía de cabeza y cuello
Factores reguladores/de crecimiento
El mayor éxito de la bioingeniería en la cirugía de cabeza y cuello se ha observado en el tratamiento de la estenosis traqueal. Esta situación se produce frecuentemente tras una intubación endotraqueal prolongada, o una traqueotomía quirúrgica/percutánea, aunque también puede deberse a factores tales como traumatismos, radiación, cáncer, o enfermedades inflamatorias crónicas (amiloidosis, sarcoidosis, policondritis recurrente)27,28 . Entre las diferentes opciones de tratamiento, la que se considera más eficaz implica la resección del segmento estenosado, seguida de anastomosis29 , aunque este procedimiento no es aplicable cuando la situación afecta a un gran segmento traqueal del cartílago cricoide29 . En 2005, Omori et al.30 describieron la primera reconstrucción exitosa de un gran segmento traqueal en un varón de 78 a˜ nos, que había sido previamente destruido por
El ácido hialurónico asume, una vez más, un papel esencial en el tratamiento de las perforaciones de la membrana timpánica. Su forma esterificada (Merogel) fue probada por Ozturk36 para el tratamiento de la perforación de la membrana timpánica en ratones de laboratorio. Los resultados se compararon con las membranas timpánicas perforadas contralaterales, tras la aplicación local de un placebo. A los 7 días, los autores observaron que la membrana timpánica tratada con Merogel tenía un mayor índice de oclusión que la membrana timpánica tratada con placebo (un 91,7 frente al 70,85%), reflejando una cantidad relativamente superior de factor de crecimiento de los fibroblastos y del factor de crecimiento endotelial en el análisis inmunohistoquímico. El factor de crecimiento de los fibroblastos parece ser otro factor de crecimiento clave, ampliamente estudiado. Kanemaru et al.37 realizaron un estudio consistente en la
Otología La perforación timpánica crónica es una situación común, derivada con frecuencia de las infecciones de oído, traumatismos o extrusión del conducto por timpanostomía32 . El cierre espontáneo, que se produce en hasta el 90% de las perforaciones agudas, ocurre por migración epitelial. Esto puede conllevar la formación de una neomembrana que carezca de la capa intermedia, que es susceptible, no solo de nuevas perforaciones debido a su grosor reducido, sino también a la formación de bolsas de retracción32,33 . La timpanoplastia con fascia temporal o pericondrio tragal sigue siendo el tratamiento de elección, aunque normalmente con una morbilidad quirúrgica considerable. Por este motivo, se han hecho recientemente grandes esfuerzos a fin de encontrar biomateriales alternativos que permitan unas intervenciones más fáciles y eficaces34,35 . Como ya se ha descrito para las cuerdas vocales, la bioingeniería aplicada al tratamiento quirúrgico de la perforación timpánica crónica implica los elementos siguientes:
Conceptos y aplicaciones de la ingeniería tisular en Otorrinolaringología aplicación de una esponja de gelatina impregnada de factor de crecimiento de los fibroblastos en membranas timpánicas crónicamente perforadas tras la escarificación de los bordes de las heridas, y compararon estos resultados con las membranas timpánicas de control sometidas al mismo procedimiento, aunque carentes de factor de crecimiento de los fibroblastos. Como se había predicho, el índice de oclusión fue considerablemente superior en el grupo tratado con el factor de crecimiento de los fibroblastos, sin evidencia de efectos laterales, lo que se hallaba en concordancia con los resultados de Ozturk36 . La pentoxifilina es un fármaco vasodilatador que maximiza la tensión del oxígeno en los tejidos periféricos32 . Ramalho et al.38 estudiaron sus efectos utilizando su forma oral junto con un factor de crecimiento endotelial tópico en chinchillas con perforaciones timpánicas subagudas. En el protocolo descrito, se aplicó el factor de crecimiento endotelial cada 70 h, y se utilizó pentoxifilina a dosis diarias de 20 mg/kg durante 10 días. Se utilizó una esponja en cada membrana timpánica perforada, como andamiaje. Alrededor de un mes posterior al tratamiento, el índice de oclusión fue del 8,7% en el grupo de placebo, del 3,6% en el grupo tratado con pentoxifilina únicamente, del 30,3% en el grupo tratado con factor de crecimiento endotelial únicamente, y del 16,5% en el grupo sometido a pentoxifilina y factor de crecimiento endotelial. Dados estos resultados, los autores concluyeron que el factor de crecimiento endotelial promueve el cierre de las membranas timpánicas perforadas, a diferencia de la pentoxifilina únicamente, o en asociación. A pesar de estos prometedores estudios, existen muchas cuestiones que deben esclarecerse aún. La más importante de todas es que deben determinarse la dosis ideal y la duración del tratamiento, debiendo prestarse atención especial a la definición de los riesgos potenciales que pueden derivarse del uso de estos factores, tales como la formación de coleastomas.
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andamiaje en la Ingeniería tisular debido a sus efectos positivos sobre la proliferación celular40 . Al combinarse con las sales de calcio, sus propiedades se resaltan considerablemente, particularmente en lo referente a manipulación y resiliencia40 , según se observó en un estudio realizado por Weber et al.41 , quienes establecieron una comparación con la técnica del parche de papel utilizada en las miringoplastias, sobre chinchillas con perforaciones timpánicas crónicas inducidas. Al finalizar el estudio, las membranas timpánicas perforadas tratadas con alginato de calcio tenían un índice superior de oclusión en comparación a los controles, mientras que los potenciales auditivos confirmaron la ausencia de efectos tóxicos. A pesar de estos prometedores resultados, deberán evaluarse ampliamente estos materiales, en cuanto a los posibles riesgos de su uso en comparación a los materiales autólogos actualmente utilizados en la práctica común, con resultados muy satisfactorios pero con una morbilidad considerable.
Conclusión Con el incremento del conocimiento y el establecimiento de conceptos de la medicina regenerativa, así como el constante desarrollo de nuevos biomateriales, el paradigma de la medicina experimentará pronto un cambio. En el futuro, el doctor, y particularmente el otorrinolaringólogo, asumirá un papel en el proceso que incluye, no solo el diagnóstico, sino también la restauración de las funciones biológicas comprometidas, formando parte de un equipo multidisciplinario que incluirá pronto a ingenieros, biólogos y otros profesionales afines. De nuevo, se precisan claramente estudios adicionales que regulen las cuestiones éticas inherentes, particularmente en relación al uso de células madre embrionarias, y para esclarecer los perfiles de seguridad a largo plazo de estos biomateriales prometedores.
Andamiajes Se han estudiado diversos materiales para la reconstrucción de la membrana timpánica, como los componentes de la matriz extracelular y el alginato de calcio. Los componentes de la matriz extracelular proceden de fuentes naturales (dermis acelular y duramadre), utilizándose como plantillas para la reconstrucción tisular basada en su ultraestructura, particularmente la presencia de proteínas funcionales tales como el colágeno y los proteoglicanos32 . La matriz extracelular extraída de la dermis y duramadre porcinas, sometida a procesos de descelularización, fue utilizada en un estudio por Deng et al.39 En este trabajo, los fibroblastos aislados de la membrana timpánica de un cerdo de Guinea se a˜ nadieron al biomaterial descrito, colocándose luego en una membrana timpánica crónicamente perforada, utilizando la técnica de subcapa de la timpanoplastia. Los análisis microscópicos posteriores revelaron la reconstrucción progresiva de una membrana timpánica característica de 3 capas, asociada a la mejora de los umbrales auditivos en el examen del potencial auditivo evocado. Por otro lado, el alginato es un polímero natural originado por las algas marinas, que se ha venido utilizando como
Conflicto de intereses Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
Agradecimientos Grupo 3B’s Research (Biomateriales, Biodegradables y Biomimética).
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ARTÍCULO DE REVISIÓN
Conceptos y aplicaciones de la ingeniería tisular en Otorrinolaringología Leandro Ribeiro ∗ , Eugénia Castro, Manuela Ferreira, Diamantino Helena, Raquel Robles, António Faria e Almeida y Artur Condé Department of Otorhinolaryngology of Vila Nova de Gaia/Espinho Hospital Center, Portugal Recibido el 17 de enero de 2014; aceptado el 10 de marzo de 2014 Disponible en Internet el 25 de octubre de 2014
PALABRAS CLAVE Ingeniería de tejidos; Cuerdas vocales; Oreja; Rinoplastia; Tráquea; Perforación de la membrana timpánica
KEYWORDS Tissue engineering; Vocal cords; Ear pinna; Rhinoplasty; Trachea; Tympanic membrane perforation
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Resumen Introducción: La ingeniería de tejidos es un campo en rápido desarrollo, haciendo unos sustitutos biológicos para la reparación y regeneración de tejidos da˜ nados, jugará un papel importante en el futuro de la Otorrinolaringología. Objetivo: En este artículo se explican los principios de la medicina regenerativa y sus posibles aplicaciones en Otorrinolaringología. Materiales y métodos: Los autores han buscado en la literatura publicada sobre el tema, eligieron referencias pertinentes y se extrajo y sistematizado de la fecha. Resultados y conclusiones: Hay posibilidades muy interesantes para futuros tratamientos en Otorrinolaringología que aplican los conceptos de la ingeniería de tejidos. © 2014 Elsevier Espa˜ na, S.L.U. y Sociedad Espa˜ nola de Otorrinolaringología y Patología CérvicoFacial. Todos los derechos reservados.
The concepts and applications of tissue engineering in Otorhinolaryngology Abstract Introduction: Tissue engineering is a rapidly developing field that, making biological substitutes for the repair and regeneration of damaged tissues, will play an important role in the future of otorhinolaryngology. Objective: In this article we explain the principles of regenerative medicine and its potential applications in Otorhinolaryngology. Materials and methods: The authors searched the published literature on this topic, chose relevant references, and extracted and systematized the data.
Autor para correspondencia. Correo electrónico: [email protected] (L. Ribeiro).
http://dx.doi.org/10.1016/j.otorri.2014.03.007 0001-6519/© 2014 Elsevier Espa˜ na, S.L.U. y Sociedad Espa˜ nola de Otorrinolaringología y Patología Cérvico-Facial. Todos los derechos reservados.
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L. Ribeiro et al Results and conclusion: There are some exciting possibilities for future treatments in otorhinolaryngology applying the concepts of tissue engineering. © 2014 Elsevier Espa˜ na, S.L.U. and Sociedad Espa˜ nola de Otorrinolaringología y Patología Cérvico-Facial. All rights reserved.
Introducción En la época actual, el paradigma de la medicina cambia constantemente, a medida que van surgiendo nuevos conceptos y métodos de soporte vital y control de las enfermedades. La ingeniería tisular se está convirtiendo en uno de los tratamientos de referencia más prometedores de la práctica médica. Basándose en procedimientos tecnológicos altamente avanzados, la reconstrucción de tejidos y órganos puede convertirse, a corto plazo, en el tratamiento puntero para un creciente número de situaciones médicas en las que las intervenciones farmacológicas o quirúrgicas clásicas tienen una eficacia limitada. De hecho, los avances recientes en este campo muestran claramente unos resultados impresionantes en cuanto a la rehabilitación de órganos y tejidos, funcional o estructuralmente comprometidos1 . La Otorrinolaringología, como especialidad médica con un amplio abanico de intervenciones quirúrgicas, asume de modo natural el liderazgo en la aplicación de las técnicas de la ingeniería tisular. El objetivo de esta revisión es describir los fundamentos de la medicina regenerativa y sus posibles aplicaciones en Otorrinolaringología.
Fundamentos El principal objetivo de la ingeniería tisular es la restauración de los tejidos funcionales o estructurales, utilizando elementos vivos que se integrarán posteriormente en los pacientes1 . En este proceso, existen generalmente tres componentes básicos presentes: las células, los factores reguladores/de crecimiento y los andamiajes, que pueden utilizarse simultáneamente, o no2,3 .
Células Muchos documentos publicados en los últimos 20 a˜ nos se han centrado principalmente en la terapia celular1 , que consiste en el depósito de células vivas seleccionadas en un andamiaje adecuado que, cuando se expone a un microentorno específico, se multiplicará y diferenciará en la estructura deseada. Pueden utilizarse diferentes subtipos celulares: las células madre y las células adultas1---3 . Las células madre se caracterizan, no solo por su capacidad de autorenovación continua e ilimitada, sino también por la posibilidad de diferenciarse en cualquier fenotipo celular2 . Se supone que las células madre son las que mayor potencial tienen dentro la medicina regenerativa, aunque su uso está limitado por cuestiones éticas, y por el posible riesgo de transformación neoplástica. Las células madre pueden obtenerse de los tejidos embrionarios o maduros. Las células embrionarias se derivan de los blastocitos, y
por tanto pueden transformarse en cualquier tipo de célula madura de las tres capas germinales4 . Por otro lado, las células madre adultas pueden recolectarse de ciertos nichos del cuerpo, por ejemplo la médula, el tejido adiposo o el sanguíneo4 , no tienen una potencia totalmente diversa, ya que se posicionan en la última etapa de la línea diferenciadora, y tienen una capacidad finita de multiplicación, dependiendo del origen del tejido. Las células adultas pueden obtenerse a partir de una muestra de biopsia del tejido a regenerar, y su replicación es inducida in vitro antes de ser trasplantadas. Al ser filogenéticamente más avanzadas, las células adultas no tienen la capacidad de replicarse indefinidamente, o transformarse en diferentes tipos de células. Estas características, junto a la posibilidad de perpetuación de los cambios patológicos preexistentes en el órgano o tejido donantes, constituyen unas limitaciones importantes para su uso.
Factores reguladores/de crecimiento Los factores de crecimiento son moléculas que regulan la proliferación, diferenciación y función celulares, y que por tanto pueden inducir, acelerar o inhibir dichos procesos celulares. Constituyen un elemento esencial para la medicina regenerativa. Dependiendo de la técnica utilizada, estas moléculas pueden incluirse en un andamiaje, que sirve como medio para controlar su liberación, y que controlará e influirá en el crecimiento celular3 .
Andamiajes Los andamiajes son estructuras tridimensionales porosas que aportan un soporte mecánico y una protección física a las células y factores de crecimiento2 . Dichos andamiajes deberán estar compuestos por una matriz biocompatible y reabsorbible1,2,5 , que permite una regeneración tisular completa. El colágeno y la fibrina son los materiales más comúnmente utilizados, y se obtienen generalmente de fuentes naturales; también puede utilizarse el ácido poliglicólico, un polímero sintético2 .
Aplicaciones de la ingeniería tisular en Otorrinolaringología Laringología Las cuerdas vocales son capaces de vibrar a una frecuencia de hasta 1000 Hz3 , debido a su microestructura que se compone del epitelio, la lámina propria y el músculo vocal. La lámina propria se compone de una capa superficial (espacio de Reinke), una capa intermedia y una capa más profunda,
Conceptos y aplicaciones de la ingeniería tisular en Otorrinolaringología cada una de las cuales consta de componentes celulares específicos, relacionados finalmente con la función orgánica. El epitelio estratificado cubre la superficie total de las cuerdas vocales, y representa una barrera frente a las agresiones físicas, químicas y microbiológicas5 . Los fibroblastos son los principales tipos de células de la lámina propria. Estas células se producen e integran en una matriz extracelular. Dicha matriz soporta todas las células tisulares y desempe˜ na un papel importante en la regulación de la migración, proliferación y diferenciación celular6,7 . El ácido hialurónico abunda particularmente en la capa superficial de la lámina propia, hidratando las cuerdas vocales y haciéndolas compresibles. Las capas restantes se componen principalmente de colágeno y elastina que son responsables, respectivamente, de la resistencia elástica y de la tracción de las cuerdas vocales5,6 . Cuando se altera la ultraestructura de la matriz extracelular, bien debido a intervenciones quirúrgicas o a factores tales como infecciones, traumatismos o radiaciones, puede producirse un trastorno de la función vibrátil de las cuerdas vocales6,8,9 . En tales situaciones, existe normalmente un proceso de curación aberrante que favorece el depósito de colágeno y la disminución de la producción de ácido hialurónico y fibras de elastina, que, en último caso, produce la formación de cicatrices, que son responsables de la disfonía. Se han descrito una serie de intervenciones terapéuticas para impedir y/o tratar las cicatrices o la atrofia de las cuerdas vocales, invariablemente con un éxito limitado, debido a la dificultad de restablecer la onda mucosa. Por ello, el objetivo de la medicina regenerativa en relación a las cuerdas vocales es la restauración de las funciones vibratoria y respiratoria de la laringe mediante la reconstrucción de la matriz extracelular de la lámina propria, utilizando los elementos que se describen posteriormente.
Factores reguladores/de crecimiento Los factores de crecimiento son los únicos elementos que han sido aplicados exitosamente hasta la fecha en la bioingeniería de las cuerdas vocales5,10 . Entre ellos, el factor de crecimiento de los fibroblastos asume una posición importante, ya que tiene una función esencial en la regulación de la formación de cicatrices. Hirano demostró que el factor de crecimiento de los fibroblastos mejoraba la producción de ácido hialurónico por parte de los fibroblastos de las cuerdas vocales, a la vez que inhibía el depósito local de colágeno11,12 . Describió un caso clínico en el que se utilizaba el factor de crecimiento de los fibroblastos en el tratamiento de la atrofia de las cuerdas vocales de un varón de 63 a˜ nos, con clara mejora de los parámetros acústicos a la semana de la intervención12 . Otra citoquina que se ha venido estudiando cada vez más para el tratamiento de las cicatrices vocales es el factor de crecimiento de los hepatocitos, debido principalmente a sus propiedades antifibróticas y angiogénicas5 . De modo similar al factor de crecimiento de los fibroblastos, el factor de crecimiento de los hepatocitos estimula también la producción de ácido hialurónico y elastina, e inhibe la síntesis del colágeno13,14 . Hirano realizó otro experimento, al inyectar hidrogel impregnado del factor de crecimiento de los hepatocitos en las cuerdas vocales previamente da˜ nadas
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de un cánido. Aquí se observó la regeneración estructural de la cuerda vocal, con una mejora de la onda mucosa3,5 . A pesar de los prometedores resultados, el perfil de seguridad de estos factores de crecimiento de nuevo uso no ha sido totalmente definido, habiéndose considerado que el riesgo de transformación maligna limita considerablemente su aplicación clínica5 .
Andamiajes Cualquier andamiaje utilizado en Otorrinolaringología deberá tener unas características estructurales, una composición química y unas propiedades mecánicas similares a las de la lámina propria. Dichos andamiajes deberían componerse de material biocompatible y reabsorbible que promueva la adhesión, proliferación y diferenciación celular, a fin de permitir la restauración exitosa de la matriz extracelular5,15 . Se han utilizado gran variedad de materiales, tales como hidrogeles basados en ácido hialurónico (Carbylan-SX y Carbylan-GSX)12 . Estos biomateriales, cuando se aplican a una cuerda vocal da˜ nada (como en una biopsia profunda), modulan la formación de cicatrices y conservan por tanto las propiedades viscoelásticas de las cuerdas vocales9 . También se han utilizado los andamiajes biológicos acelulares como alternativa a los hidrogeles. Dichas estructuras se derivan de la mucosa intestinal porcina, la lámina propria de las cuerdas vocales bovinas, o la vena umbilical humana. Se someten a procedimientos de descelularización basados en una respuesta inmune desencadenada mediante el contacto con los fibroblastos de las cuerdas vocales humanas16 . Kishimoto et al.17 realizaron un estudio en 6 pacientes con una cicatriz o sulcus en la cuerda vocal, a los que se colocó dichos andamiajes en una bolsa epitelial, tras la extirpación del tejido cicatricial. A los 6 meses de la intervención, se observó una restauración considerable de la matriz extracelular, con mejora de los parámetros acústicos, y degradación total del material del andamiaje. Por tanto, constituye un recurso médico prometedor.
Células La terapia celular en laringología se basa en la inyección de células, que producirán elementos de la matriz extracelular, originando la reconstrucción de la microestructura de la cuerda vocal. Dichas células son generalmente fibroblastos18 , células madre del tejido medular o adiposo19 (que son capaces de producir, in vitro, todos los elementos de la cuerda vocal)20 , y células madre del tejido embrionario21 . En todos los estudios celulares basados en terapias, se ha observado una clara mejora de las propiedades fibroelásticas de las cuerdas vocales18---21 . Sin embargo, el riesgo potencial de transformación neoplástica de los tejidos diana3,5 , y muchas cuestiones éticas en relación a la manipulación de células embrionarias, han limitado su uso.
Cirugía plástica y reconstructiva Muchas intervenciones de cabeza y cuello, tales como las rinoplastias, septoplastias, correcciones de perforación septal, o reconstrucciones del pabellón auricular,
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L. Ribeiro et al
implican el uso de cartílagos autólogos, que se obtienen del septo nasal, costillas o concha2 . A pesar de ser un recurso limitado en cuanto a su extensión finita y configuración geométrica particular, el cartílago septal ha sido el más comúnmente utilizado, debido a sus características estructurales y accesibilidad22,23 . Por ello, la ingeniería tisular puede resultar una alternativa, con la posibilidad de originar una mayor cantidad de cartílago con la forma deseada. El primer trabajo sobre este área, y el más popular, fue publicado en 1997 por Cao et al.24 Se describió la producción de una matriz de cartílago con forma de oreja para tratar a un ni˜ no de tres a˜ nos, utilizando condrocitos bovinos, a˜ nadidos a una matriz de ácido poliglicólico previamente moldeada (andamiaje). Dichos elementos se implantaron en la espalda de un ratón de laboratorio, observándose los condrocitos de nueva replicación a las 12 semanas. Más recientemente, Yanaga et al.25 publicaron una serie de 4 casos en los que la técnica quirúrgica de reconstrucción de una microtia congénita se basó en la bioingeniería. En tales casos, los condrocitos se obtuvieron del cartílago conchal y se expandieron in vitro para formar una matriz, a la que se a˜ nadió el factor de crecimiento de los fibroblastos. A continuación se implantó el tejido resultante subcutáneamente, de modo superficial sobre la fascia abdominal durante unos 6 meses, originando gran cantidad de cartílago maduro que posteriormente se adaptó y trasplantó a la piel temporal, a fin de reconstruir el pabellón auricular. Se realizó un seguimiento de estos pacientes durante 5 a˜ nos, con buenos resultados. En particular, no se observó reabsorción alguna del tejido cartilaginoso. El mismo equipo aplicó este procedimiento a la rinoplastia26 . De modo similar, se inyectó subcutáneamente en el dorso nasal una matriz gelatinosa obtenida de los condrocitos recolectados en el cartílago conchal, originando un sólido neocartílago en dos semanas. En este estudio, 75 pacientes fueron sometidos a un seguimiento de 6 a˜ nos desde la intervención quirúrgica, obteniéndose resultados prometedores. Por tanto, estas intervenciones pueden suponer una alternativa al uso de otros materiales, particularmente el ácido hialurónico, que es absorbido a lo largo de los a˜ nos de manera considerable.
un carcinoma tiroideo. Los autores utilizaron una matriz de polipropileno como andamiaje, recubierta de colágeno recolectado de una dermis porcina, que fue localmente implantada, tras la resección del segmento traqueal da˜ nado. A las dos semanas de la intervención, el tejido implantado se había integrado plenamente en las estructuras adyacentes, observándose la regeneración completa del epitelio respiratorio a los 2 a˜ nos, sin complicación alguna. Macchiarini et al. sugirieron una técnica diferente en 200831 . En este documento, los autores describen la reconstrucción bronquial en un paciente de 30 a˜ nos, que padecía broncomalacia avanzada. Se utilizó como andamiaje el bronquio de un cadáver, previamente sometido a procedimientos de descelularización, al que se a˜ nadieron células epiteliales y condrocitos recolectados del bronquio sano. El material obtenido se sometió a anastomosis con el bronquio afectado, observándose un alivio sintomatológico inmediato. El paciente recibió el alta a los 10 días de la operación. Estos trabajos ilustran la posibilidad de reconstruir los segmentos comprometidos de las vías aéreas, utilizando técnicas recientes de bioingeniería.
Cirugía de cabeza y cuello
Factores reguladores/de crecimiento
El mayor éxito de la bioingeniería en la cirugía de cabeza y cuello se ha observado en el tratamiento de la estenosis traqueal. Esta situación se produce frecuentemente tras una intubación endotraqueal prolongada, o una traqueotomía quirúrgica/percutánea, aunque también puede deberse a factores tales como traumatismos, radiación, cáncer, o enfermedades inflamatorias crónicas (amiloidosis, sarcoidosis, policondritis recurrente)27,28 . Entre las diferentes opciones de tratamiento, la que se considera más eficaz implica la resección del segmento estenosado, seguida de anastomosis29 , aunque este procedimiento no es aplicable cuando la situación afecta a un gran segmento traqueal del cartílago cricoide29 . En 2005, Omori et al.30 describieron la primera reconstrucción exitosa de un gran segmento traqueal en un varón de 78 a˜ nos, que había sido previamente destruido por
El ácido hialurónico asume, una vez más, un papel esencial en el tratamiento de las perforaciones de la membrana timpánica. Su forma esterificada (Merogel) fue probada por Ozturk36 para el tratamiento de la perforación de la membrana timpánica en ratones de laboratorio. Los resultados se compararon con las membranas timpánicas perforadas contralaterales, tras la aplicación local de un placebo. A los 7 días, los autores observaron que la membrana timpánica tratada con Merogel tenía un mayor índice de oclusión que la membrana timpánica tratada con placebo (un 91,7 frente al 70,85%), reflejando una cantidad relativamente superior de factor de crecimiento de los fibroblastos y del factor de crecimiento endotelial en el análisis inmunohistoquímico. El factor de crecimiento de los fibroblastos parece ser otro factor de crecimiento clave, ampliamente estudiado. Kanemaru et al.37 realizaron un estudio consistente en la
Otología La perforación timpánica crónica es una situación común, derivada con frecuencia de las infecciones de oído, traumatismos o extrusión del conducto por timpanostomía32 . El cierre espontáneo, que se produce en hasta el 90% de las perforaciones agudas, ocurre por migración epitelial. Esto puede conllevar la formación de una neomembrana que carezca de la capa intermedia, que es susceptible, no solo de nuevas perforaciones debido a su grosor reducido, sino también a la formación de bolsas de retracción32,33 . La timpanoplastia con fascia temporal o pericondrio tragal sigue siendo el tratamiento de elección, aunque normalmente con una morbilidad quirúrgica considerable. Por este motivo, se han hecho recientemente grandes esfuerzos a fin de encontrar biomateriales alternativos que permitan unas intervenciones más fáciles y eficaces34,35 . Como ya se ha descrito para las cuerdas vocales, la bioingeniería aplicada al tratamiento quirúrgico de la perforación timpánica crónica implica los elementos siguientes:
Conceptos y aplicaciones de la ingeniería tisular en Otorrinolaringología aplicación de una esponja de gelatina impregnada de factor de crecimiento de los fibroblastos en membranas timpánicas crónicamente perforadas tras la escarificación de los bordes de las heridas, y compararon estos resultados con las membranas timpánicas de control sometidas al mismo procedimiento, aunque carentes de factor de crecimiento de los fibroblastos. Como se había predicho, el índice de oclusión fue considerablemente superior en el grupo tratado con el factor de crecimiento de los fibroblastos, sin evidencia de efectos laterales, lo que se hallaba en concordancia con los resultados de Ozturk36 . La pentoxifilina es un fármaco vasodilatador que maximiza la tensión del oxígeno en los tejidos periféricos32 . Ramalho et al.38 estudiaron sus efectos utilizando su forma oral junto con un factor de crecimiento endotelial tópico en chinchillas con perforaciones timpánicas subagudas. En el protocolo descrito, se aplicó el factor de crecimiento endotelial cada 70 h, y se utilizó pentoxifilina a dosis diarias de 20 mg/kg durante 10 días. Se utilizó una esponja en cada membrana timpánica perforada, como andamiaje. Alrededor de un mes posterior al tratamiento, el índice de oclusión fue del 8,7% en el grupo de placebo, del 3,6% en el grupo tratado con pentoxifilina únicamente, del 30,3% en el grupo tratado con factor de crecimiento endotelial únicamente, y del 16,5% en el grupo sometido a pentoxifilina y factor de crecimiento endotelial. Dados estos resultados, los autores concluyeron que el factor de crecimiento endotelial promueve el cierre de las membranas timpánicas perforadas, a diferencia de la pentoxifilina únicamente, o en asociación. A pesar de estos prometedores estudios, existen muchas cuestiones que deben esclarecerse aún. La más importante de todas es que deben determinarse la dosis ideal y la duración del tratamiento, debiendo prestarse atención especial a la definición de los riesgos potenciales que pueden derivarse del uso de estos factores, tales como la formación de coleastomas.
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andamiaje en la Ingeniería tisular debido a sus efectos positivos sobre la proliferación celular40 . Al combinarse con las sales de calcio, sus propiedades se resaltan considerablemente, particularmente en lo referente a manipulación y resiliencia40 , según se observó en un estudio realizado por Weber et al.41 , quienes establecieron una comparación con la técnica del parche de papel utilizada en las miringoplastias, sobre chinchillas con perforaciones timpánicas crónicas inducidas. Al finalizar el estudio, las membranas timpánicas perforadas tratadas con alginato de calcio tenían un índice superior de oclusión en comparación a los controles, mientras que los potenciales auditivos confirmaron la ausencia de efectos tóxicos. A pesar de estos prometedores resultados, deberán evaluarse ampliamente estos materiales, en cuanto a los posibles riesgos de su uso en comparación a los materiales autólogos actualmente utilizados en la práctica común, con resultados muy satisfactorios pero con una morbilidad considerable.
Conclusión Con el incremento del conocimiento y el establecimiento de conceptos de la medicina regenerativa, así como el constante desarrollo de nuevos biomateriales, el paradigma de la medicina experimentará pronto un cambio. En el futuro, el doctor, y particularmente el otorrinolaringólogo, asumirá un papel en el proceso que incluye, no solo el diagnóstico, sino también la restauración de las funciones biológicas comprometidas, formando parte de un equipo multidisciplinario que incluirá pronto a ingenieros, biólogos y otros profesionales afines. De nuevo, se precisan claramente estudios adicionales que regulen las cuestiones éticas inherentes, particularmente en relación al uso de células madre embrionarias, y para esclarecer los perfiles de seguridad a largo plazo de estos biomateriales prometedores.
Andamiajes Se han estudiado diversos materiales para la reconstrucción de la membrana timpánica, como los componentes de la matriz extracelular y el alginato de calcio. Los componentes de la matriz extracelular proceden de fuentes naturales (dermis acelular y duramadre), utilizándose como plantillas para la reconstrucción tisular basada en su ultraestructura, particularmente la presencia de proteínas funcionales tales como el colágeno y los proteoglicanos32 . La matriz extracelular extraída de la dermis y duramadre porcinas, sometida a procesos de descelularización, fue utilizada en un estudio por Deng et al.39 En este trabajo, los fibroblastos aislados de la membrana timpánica de un cerdo de Guinea se a˜ nadieron al biomaterial descrito, colocándose luego en una membrana timpánica crónicamente perforada, utilizando la técnica de subcapa de la timpanoplastia. Los análisis microscópicos posteriores revelaron la reconstrucción progresiva de una membrana timpánica característica de 3 capas, asociada a la mejora de los umbrales auditivos en el examen del potencial auditivo evocado. Por otro lado, el alginato es un polímero natural originado por las algas marinas, que se ha venido utilizando como
Conflicto de intereses Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.
Agradecimientos Grupo 3B’s Research (Biomateriales, Biodegradables y Biomimética).
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