Regeneración funcional de órganos ectodérmicos como la próxima generación de terapia de reemplazo de órganos

Introducción

Numerosos avances en varios campos de investigación, incluyendo la biología del desarrollo, la biología de células madre y la tecnología de ingeniería de tejidos, han facilitado la medicina regenerativa . La primera generación de medicina regenerativa es la terapia de trasplante de células madre que utiliza células madre derivadas de tejidos, células madre embrionarias (ES) o células madre pluripotentes inducidas (iPS) . Por ejemplo, el trasplante de médula ósea se ha convertido ya en un tratamiento habitual para la leucemia y la anemia hipoplásica. Además, tanto las células ES como las iPS están entrando en ensayos clínicos para muchas enfermedades y lesiones, como la leucemia, la enfermedad de Parkinson y la de Alzheimer, el infarto de miocardio, la diabetes, las enfermedades hepáticas y otras afecciones. La regeneración tisular se posiciona como la segunda generación de la medicina regenerativa, y ya se comercializan varios productos, como la piel y el cartílago. Además, la primera terapia de regeneración tisular del mundo con células iPS derivadas del paciente o de un donante anónimo se está investigando en un ensayo clínico para curar la degeneración macular asociada a la edad.

La próxima generación de terapia regenerativa se dirige a órganos enteros compuestos por múltiples tipos de células con una compleja estructura tridimensional . En esta década, los avances en el campo de la biología de las células madre y la biología del desarrollo han proporcionado nuevas oportunidades para regenerar órganos funcionales. Durante el desarrollo embrionario, los órganos surgen a partir de los respectivos gérmenes de órganos, que son inducidos por interacciones recíprocas entre células madre epiteliales y mesenquimales determinadas por el destino, según los campos individuales de formación de órganos (figura 1a) . La regeneración funcional de órganos se logró por primera vez en 2007 mediante el desarrollo de un novedoso método de manipulación celular para generar un germen de órgano de bioingeniería con potencial inductor de órganos con células madre epiteliales y mesenquimales aisladas de un germen de órgano embrionario (figura 1b) . Este estudio pionero y otros posteriores informaron de la regeneración totalmente funcional de múltiples tipos de órganos ectodérmicos, proporcionando pruebas del concepto de regeneración funcional de órganos.

Figura 1. Ilustración esquemática de la organogénesis embrionaria y enfoques para la regeneración de órganos. (a) Diagrama esquemático de la organogénesis. Un órgano funcional se desarrolla mediante el establecimiento de campos formadores de órganos, la formación de gérmenes de órganos mediante interacciones epiteliales y mesenquimales recíprocas, y la morfogénesis. (b) Esquema de la regeneración totalmente funcional de un órgano ectodérmico imitando la formación de gérmenes de órganos mediante el uso de células madre epiteliales y mesenquimales determinadas por el destino embrionario con potencial inductor de órganos. (c) Ilustración esquemática de la generación de organoides recapitulando el establecimiento de campos formadores de órganos en masas celulares generadas a partir de células madre pluripotentes.

El siguiente cambio de paradigma se produjo en 2008 con el descubrimiento de los organoides, que se generaron induciendo un campo formador de órganos en un agregado celular surgido de células madre pluripotentes, como las células ES y las células iPS, así como de células madre tisulares (figura 1c) . Se pueden generar prácticamente todos los tipos de organoides, incluidos los del sistema nervioso central (es decir, la corteza cerebral, la hipófisis, la copa óptica y el oído interno) . Aunque la aparición de los organoides representa un avance tecnológico que ahora sirve como herramienta esencial en muchas aplicaciones de biología básica y clínica, los organoides todavía sólo pueden reproducir parcialmente la estructura y la función de los órganos originales. Por lo tanto, la mayoría de los organoides individuales generados hasta la fecha podían sustituir funciones limitadas y/o parciales de un órgano completo, por lo que actualmente se consideran mini-órganos. Recientemente, se han desarrollado con éxito organoides de glándulas salivales que demuestran una regeneración de órganos totalmente funcional con el trasplante ortotópico . Dado que los principios del desarrollo de los órganos ectodérmicos son similares a los de otros órganos, es importante profundizar en el conocimiento de la regeneración de órganos ectodérmicos para lograr la regeneración funcional completa de otros órganos (figura 1a). Además, la regeneración de un sistema de órganos tegumentarios (IOS) utilizando un método de organoides in vivo demostró claramente la posibilidad de regeneración de sistemas de órganos.

En esta revisión, describimos los avances recientes en la regeneración de órganos utilizando varias poblaciones de células madre y estrategias basadas en la biología del desarrollo y la biología de las células madre y discutimos las direcciones futuras para la terapia de reemplazo de órganos como la próxima generación de medicina regenerativa de órganos.

Desarrollo de un método de manipulación celular tridimensional, el método del germen de órgano, utilizando células embrionarias

Los investigadores han intentado regenerar órganos durante varias décadas combinando células funcionales, materiales de andamiaje y sustancias fisiológicamente activas mediante técnicas de ingeniería de tejidos . Aunque estos estudios anteriores hicieron ciertas contribuciones a la regeneración de órganos, existen considerables preocupaciones con respecto a los resultados de estos estudios, como la baja eficiencia de la inducción de órganos y la dirección y el tamaño incontrolables del órgano regenerado. Con los avances en la biología de las células madre y del desarrollo, la reproducción de la organogénesis en la etapa fetal ha progresado en los últimos 30 años. El proceso de desarrollo de la regeneración de órganos comienza con la inducción del germen del órgano mediante interacciones epiteliales-mesenquimales en el campo del órgano que se forma tras el establecimiento del plan corporal durante el desarrollo temprano. A lo largo de los años se han desarrollado técnicas de manipulación celular diseñadas para regenerar gérmenes de órganos, pero no se ha logrado la reproducción completa del desarrollo y la regeneración de órganos funcionales.

Desarrollamos un método de bioingeniería, designado como método de gérmenes de órganos, para recapitular la inducción del germen de órganos mediante interacciones epiteliales y mesenquimales en etapas tempranas del desarrollo . Compartimentamos células epiteliales y mesenquimales aisladas del embrión de ratón a una alta densidad celular en un gel de colágeno tipo I para lograr una réplica precisa de los procesos que ocurren durante la organogénesis. Mediante este novedoso método, hemos observado la regeneración funcional de múltiples tipos de órganos ectodérmicos, como dientes, folículos pilosos y glándulas secretoras.

Dientes de bioingeniería totalmente funcionales

3.1. Desarrollo del diente

En el desarrollo del germen dental, la lámina dental se engrosa inicialmente (etapa de lámina) (figura 2a). El germen dental se desarrolla e interactúa con el epitelio de la mucosa oral y el mesénquima. Posteriormente, el engrosamiento epitelial en la futura ubicación del diente y el posterior brote epitelial (estadio de brote) hacia el mesénquima subyacente derivado de la cresta neural son inducidos por señales epiteliales en los días embrionarios (DE) 11-13 en ratones. En los días embrionarios 13-15, el nudo del esmalte actúa como centro de señalización responsable de la formación y el mantenimiento de la papila dental. Los nudos primarios del esmalte se forman en la yema del diente y aparecen durante la transición de la fase de yema a la de capuchón. En los DE 17-19, las células epiteliales y mesenquimales del germen del diente se diferencian terminalmente . El mesénquima también se diferencia en pulpa dental y tejidos periodontales, que se convertirán en el cemento, el ligamento periodontal y el hueso alveolar. La formación de la raíz del diente se inicia después de la formación de la corona del diente, y los dientes maduros erupcionan en la cavidad oral.

Figura 2. Regeneración de dientes de bioingeniería totalmente funcionales. (a) Esquema del desarrollo de los dientes. (b) Análisis del curso temporal de la erupción del diente a partir del germen dental de bioingeniería trasplantado (i) y del diente regenerado utilizando células derivadas de ratones transgénicos con GFP (ii). Barra de escala: 500 µm. (c) Análisis histológico del diente regenerado. Obsérvese que el diente de bioingeniería también formaba una estructura dental correcta, que comprendía esmalte, dentina, pulpa dental y tejido periodontal. Barra de escala: 200 µm.

3.2. Regeneración dental totalmente funcional

La pérdida de dientes debida a la caries dental, a la enfermedad periodontal o a un traumatismo provoca problemas fundamentales para la correcta función oral y se asocia a problemas de salud oral y general . Los tratamientos dentales convencionales diseñados para restaurar las funciones oclusales después de la pérdida de dientes se basan en la sustitución de los dientes con materiales artificiales, como las prótesis fijas o removibles y los puentes. Aunque estas terapias artificiales se aplican ampliamente para tratar los trastornos dentales, la recuperación de la oclusión es necesaria porque los dientes se coordinan con la fuerza oclusal y la fuerza ortodóntica de los músculos circundantes, y la integridad del sistema estomatognático se mantiene mediante el establecimiento del sistema oclusal durante el crecimiento de la mandíbula en el período postnatal . Los recientes avances en la regeneración de tejidos han permitido a los investigadores mejorar las funciones de los dientes biológicos facilitando el desarrollo del diente subyacente a través de la remodelación ósea y ayudando a la capacidad de percibir estímulos nocivos .

Como se muestra en nuestro estudio anterior, un germen de diente de bioingeniería se desarrolla en la estructura dental correcta y erupciona con éxito en la cavidad oral después del trasplante en la región del diente perdido (figura 2b) . En el caso de una unidad dental madura de bioingeniería trasplantada que comprende un diente maduro, el ligamento periodontal y el hueso alveolar pueden injertarse en la región de la pérdida del diente mediante la integración ósea en el receptor (figura 2c) . El diente de bioingeniería mantiene las interacciones con el ligamento periodontal y el hueso alveolar que se originan en la unidad dental de bioingeniería a través de la integración ósea exitosa. La dureza del esmalte y de la dentina de los componentes del diente de bioingeniería estaba dentro del rango normal cuando se analizó mediante la prueba de dureza de Knoop . Como dirección futura, se considera importante el control de la forma del diente. Los dientes se generan guiando el mesénquima de acuerdo con el plan corporal durante el proceso de desarrollo. En cuanto al control morfológico del diente, la anchura del diente está controlada por el área de contactos entre las capas de células epiteliales y mesenquimales, y el número de cúspides está controlado por la expresión de Shh en el epitelio del esmalte interno . Esta tecnología de dientes de bioingeniería contribuye a la realización de la terapia regenerativa de sustitución de dientes enteros como terapia de próxima generación.

Folículo piloso de bioingeniería totalmente funcional

4.1. Desarrollo del folículo piloso

Los ratones tienen cuatro tipos diferentes de pelo en el dorso, clasificados como pelos de guarda, lezna, aucheno y zigzag. El desarrollo del folículo piloso en la piel de la espalda del ratón comienza con la determinación del destino de las células mesenquimales aproximadamente a la ED 10,5, lo que da lugar a la formación de un condensado dérmico. Las interacciones recíprocas entre el condensado dérmico y la epidermis subyacente conducen a la inducción del placo piloso (figura 3a). Una vez establecido el placode piloso, el desarrollo del folículo piloso se produce en tres oleadas, empezando por el desarrollo del pelo de guarda en la ED 14,5, seguido por el pelo de lezna y aucheno en la ED 17 y el pelo en zigzag en el nacimiento . El extremo inferior del epitelio de la clavija del pelo que envuelve una célula dérmica condensada forma el germen de la matriz del pelo. La célula dérmica condensada forma una papila dérmica, que se considera un nicho para las células madre mesenquimales del folículo piloso, e induce la diferenciación de la matriz del pelo y forma la vaina de la raíz interna del folículo piloso y el tallo del pelo. La región de la protuberancia también forma un nicho de células madre epiteliales y conecta simultáneamente con las fibras nerviosas y el músculo arrector pili (figura 3a).

Figura 3. Regeneración del folículo piloso mediante bioingeniería totalmente funcional. (a) Esquema del desarrollo del folículo piloso. (b) Germen de órgano de bioingeniería representativo generado a partir de células epiteliales de la protuberancia (verde) y de la papila dérmica (rojo). (c) Observaciones macromorfológicas de los pelos de bioingeniería (punta de flecha). (d) Análisis de la capacidad de piloerección mediante la administración de acetilcolina (ACh). Punta de flecha blanca, antes de la inyección de ACh; punta de flecha negra, después de la inyección de ACh. Barra de escala: 1 mm.

4.2. Regeneración del folículo piloso totalmente funcional

El órgano piloso tiene las funciones biológicas de termorregulación, aislamiento físico de la radiación UV, impermeabilización, sensación táctil, protección de estímulos nocivos, camuflaje y comunicación social . Los trastornos de la caída del cabello, como la displasia congénita del folículo piloso y la alopecia androgenética, son psicológicamente angustiosos y tienen efectos negativos en la calidad de vida de ambos sexos . Los tratamientos farmacológicos actuales son insuficientes para lograr un control ideal de la caída del cabello, como la displasia congénita del folículo piloso o la alopecia areata . La demanda de desarrollo de tecnologías de bioingeniería que permitan una terapia regenerativa para la caída del cabello ha aumentado.

En el ciclo del cabello, los gérmenes del folículo piloso se reconstituyen periódicamente, y las células madre epiteliales y mesenquimales capaces de regenerar los folículos pilosos están presentes, incluso en los adultos. Por lo tanto, este órgano es el único en el que se pueden regenerar gérmenes reconstituyentes a partir de células derivadas de adultos. Se ha informado del trasplante autólogo de folículos pilosos en el que se aísla un único folículo piloso de la región sana del cuero cabelludo y se trasplanta a pacientes con alopecia de patrón masculino, y los folículos pilosos trasplantados conservan sus características . Según muchos investigadores, la sustitución de las células dérmicas de la piel mediante células mesenquimales, que se recogen de los bulbos pilosos adultos de un folículo piloso, induce la formación de nuevos folículos pilosos . Sin embargo, la regeneración de los folículos pilosos que funcionan en cooperación con el tejido circundante es difícil. Nuestro grupo reconstituyó un germen de folículo piloso de bioingeniería, que contiene células madre mesenquimales, utilizando células epiteliales derivadas del bulbo y células de la papila dérmica aisladas no sólo de embriones, sino también de ratones adultos (figura 3b) . Tras el trasplante ortotópico, los gérmenes de folículos pilosos creados mediante bioingeniería se convierten en folículos pilosos maduros con estructuras adecuadas y producen pelo durante toda su vida (figura 3c). Además, los folículos pilosos regenerados se conectaron eficazmente con el tejido circundante del huésped y mostraron un reflejo pilomotor en respuesta a la administración de acetilcolina (figura 3d). Este estudio demostró el potencial de las células madre tisulares aisladas de folículos pilosos adultos para convertirse en folículos pilosos humanos en el campo de la medicina regenerativa.

Glándulas secretoras de bioingeniería

5.1. Desarrollo de las glándulas salivales y lagrimales

Las glándulas secretoras, incluyendo las glándulas salivales y las glándulas lagrimales, son vitales para la protección y el mantenimiento de las funciones fisiológicas en el microambiente de las superficies oral y ocular. Las glándulas secretoras se desarrollan a través de interacciones epiteliales-mesenquimales recíprocas. Las glándulas salivales se clasifican en tres tipos principales: la glándula parótida (PG), la glándula submandibular (SMG) y la glándula sublingual (SLG). La SMG se desarrolla a través de la invaginación del epitelio en la región mesenquimal del DE 11. El tejido epitelial invaginado prolifera para formar un tallo epitelial (figura 4a) . Un bulbo terminal forma una estructura ramificada desarrollando una hendidura y repitiendo el proceso de elongación y ramificación de los DE 12,5-14,5 . Los bulbos terminales se diferencian en células acinares y maduran para sintetizar proteínas de secreción en el DE 15 . Por el contrario, la glándula lagrimal también se desarrolla mediante la invaginación del epitelio en un saco mesenquimal en una región temporal del ojo en el DE 12,5. Los brotes epiteliales redondeados se condensan en el fórnix conjuntival superior, que luego se invagina en el mesénquima circundante . El germen de la glándula lagrimal se ramifica mediante la elongación del tallo y la morfogénesis de la formación de la hendidura. La estructura fundamental de la glándula lagrimal se consigue mediante ED 19 .

Figura 4. Regeneración de la glándula salival de bioingeniería totalmente funcional a partir de un germen de órgano de bioingeniería y un organoide. (a) Esquema del desarrollo de la glándula salival. (b) Esquema del trasplante de la glándula salival de bioingeniería. El germen de bioingeniería fue trasplantado con un hilo de nylon para promover la conexión con el conducto en la ubicación del PG. Barra de escala: 200 µm. (c) Fotografía de un SMG de bioingeniería el día 30 después del trasplante en un ratón con defectos en las glándulas salivales. (d) Evaluación de la cantidad de saliva secretada por los ratones normales (barras claras) y los ratones con SMG de bioingeniería (barras oscuras) tras la estimulación gustativa con citrato. Los datos se presentan como medias ± e.m. Barra de escala: 200 µm. (e) Fotografía de la glándula salival marcada con GFP derivada de células ES de ratón en el día 30 después del trasplante en un ratón con defectos en la glándula salival. Barra de escala: 200 µm. (f) Evaluación de la cantidad de saliva segregada en los ratones con injertos combinados de glándulas salivales tras la estimulación con agua (barras de la derecha) o ácido cítrico (barras de la izquierda). Los datos se presentan como las medias ± e.s.m.

5.2. Regeneración de las glándulas salivales y lacrimales

La sequedad de la boca y del ojo son síntomas comunes. Las enfermedades de las glándulas salivales incluyen los tumores salivales, los trastornos obstructivos, las infecciones y los síntomas de las enfermedades sistémicas, como el síndrome de Sjögren, el linfoma y las enfermedades metabólicas . Estas enfermedades también afectan a las glándulas lagrimales, lo que provoca sequedad ocular. La disfunción y los trastornos asociados a estas glándulas exocrinas provocan una reducción general de la calidad de vida. Sin embargo, las terapias actuales para las enfermedades caracterizadas por la sequedad bucal y ocular sólo tratan los síntomas . Estas terapias sólo ejercen efectos temporales y no revierten la disfunción de las glándulas exocrinas.

Nuestro grupo se propuso desarrollar mejores tratamientos reconstituyendo un germen de glándula salival de bioingeniería a partir de células epiteliales y mesenquimales derivadas de gérmenes de glándulas salivales embrionarias de ratón ED 13.5-14.5 utilizando nuestro método de germen de órgano desarrollado (figura 4b) . Después del trasplante ortotópico tras la extirpación de las glándulas salivales nativas, el germen de glándula salival de bioingeniería se convirtió en una glándula salival madura, y se formó una conexión adecuada entre el conducto salival del huésped y el conducto salival de bioingeniería (figura 4b). Este procedimiento condujo al desarrollo de un conducto de glándula salival conectado en el ratón receptor con estructuras de tejido acinar similares a las de la glándula salival natural (figura 4c). La SMG de bioingeniería regeneró células acinares serosas y mostró una estructura de órgano natural. También se observó la entrada de nervios en estas glándulas salivales de bioingeniería, y se indujo la secreción de saliva en la glándula salival mediante la estimulación de las papilas gustativas con ácido cítrico (figura 4d).

También reconstituimos un germen de glándula lagrimal de bioingeniería a partir de células epiteliales y mesenquimales derivadas de los gérmenes de glándula lagrimal del embrión de ratón ED 16.5 . El germen de glándula lagrimal de bioingeniería, que se generó mediante el método de germen de órgano, experimentó con éxito una morfogénesis ramificada. Tras el trasplante, estas glándulas se convirtieron en estructuras de glándulas secretoras maduras in vivo. Estos resultados confirmaron la posibilidad de regenerar una glándula secretora de bioingeniería mediante el trasplante de gérmenes de órganos.

Generación de organoides como mini-órganos a partir de células madre pluripotentes

Los organoides, que reproducen la estructura y función parcial de los órganos, se generaron a partir de células madre multipotentes basándose en el concepto de recapitulación del proceso de inducción de un campo de formación de órganos con la subsiguiente autoorganización durante la organogénesis embrionaria. Esta inducción se logró mediante el uso de varias combinaciones de citoquinas, que imitan el patrón y el posicionamiento de la señalización en el embrión. Este concepto se demostró por primera vez al generar con éxito un organoide de copa óptica a partir de células ES. Posteriormente, se indujeron varios organoides en cada campo de formación de órganos, como la retina , la hipófisis , el cerebro , el oído interno y el folículo piloso en el campo de la cabeza; el tiroides y el pulmón en el campo del tórax; y el intestino delgado , el estómago y el riñón en el campo del abdomen .

Las células madre de tejidos adultos, como las células madre intestinales , pulmonares , gástricas y pancreáticas , también son capaces de generar organoides a través de la autoorganización de su nicho, que pueden reproducir parcialmente la estructura del tejido original. Aunque la definición de un organoide es ligeramente diferente según su origen (es decir, células madre pluripotentes o células madre tisulares), los organoides recapitulan parcialmente la estructura del órgano o tejido y pueden crecer hasta un tamaño pequeño limitado, por lo que se consideran mini-órganos. Por lo tanto, a diferencia de un germen de órgano de bioingeniería, un organoide es incapaz de sustituir completamente las funciones de sus órganos originales tras un trasplante ortotópico por sí solo; sin embargo, el trasplante ortotópico y heterotópico de múltiples organoides puede recuperar parcialmente la función del órgano.

Recientemente, regeneramos con éxito una glándula salival totalmente funcional a partir de células ES de ratón in vivo (figura 4e,f) . Utilizando el método general para la formación de organoides, generamos el primordio de la glándula salival como un organoide a través de la inducción de un campo formador de órganos (es decir, el ectodermo oral), que luego fue trasplantado ortotópicamente. El organoide trasplantado se convirtió en una glándula salival madura con la estructura tisular correcta, como el tejido acinar, y formó conexiones adecuadas con los tejidos circundantes, incluidos el conducto PG y los nervios. Además, la glándula salival regenerada segregó saliva en respuesta a la estimulación gustativa con ácido cítrico, lo que demuestra la plena recuperación funcional de la glándula salival original tras el trasplante ortotópico del organoide (figura 4f). Estos estudios demuestran claramente la viabilidad de la regeneración funcional de órganos mediante el uso de organoides, generados por la inducción de un campo de formación de órganos en células madre multipotentes, no en células madre embrionarias con potencial inductor de órganos. El desarrollo del novedoso sistema de cultivo in vitro que permite que los organoides de órganos grandes, como el hígado y el riñón, crezcan hasta un tamaño adecuado debería ser el siguiente tema de investigación para lograr la regeneración de órganos.

Regeneración de un IOS tridimensional a partir de células iPS

La función coordinada de múltiples órganos, denominados colectivamente como sistema de órganos, como el sistema nervioso central, el sistema circulatorio, el sistema digestivo y el IOS, es vital para mantener la homeostasis en un organismo . Por lo tanto, la regeneración de todo el sistema de órganos es el próximo reto en el campo de la medicina regenerativa. El IOS es el sistema de órganos más grande del cuerpo. Este sistema contiene varios órganos, como los folículos pilosos, la glándula sebácea y la glándula sudorípara, además del tejido cutáneo que está compuesto por la epidermis, la dermis y la grasa subcutánea. El sistema de órganos de la piel desempeña importantes funciones en la homeostasis, como la secreción de humedad y sebo, y la protección contra la luz ultravioleta y la estimulación externa mediante los folículos pilosos. Las lesiones cutáneas por quemaduras graves ponen en peligro la vida. Los defectos congénitos y la pérdida de apéndices cutáneos afectan significativamente a la calidad de vida, aunque es posible el tratamiento médico regenerativo parcial con láminas epidérmicas. Se ha informado de la creación de piel artificial que comprende la epidermis y la dermis, y de la regeneración de órganos del folículo piloso mediante la manipulación celular. Sin embargo, no se ha regenerado ningún sistema de órganos de la piel.

Recientemente, hemos regenerado con éxito el IOS induciendo un campo de formación de órganos en cuerpos embrionarios (EBs) derivados de células iPS de ratón (figura 5a) . Tras el trasplante de EBs en la cápsula subrenal, se confirmó la generación de apéndices cutáneos, incluyendo folículos pilosos, glándulas sebáceas y tejido adiposo subcutáneo en el IOS de bioingeniería, sin que se produjera tumorigénesis (figura 5b,c). Además, el número y la densidad de los pelos regenerados en el IOS de bioingeniería fueron los mismos que los encontrados en el pelo natural, lo que sugiere que la organogénesis en el IOS se produjo de manera similar a la del desarrollo normal. La IOS de bioingeniería generada en la cápsula subrenal fue totalmente funcional tras el trasplante a la piel de la espalda de ratones desnudos, como lo demuestra el ciclo repetitivo del pelo (figura 5d). Este estudio demostró el concepto de regeneración del sistema de órganos in vivo. Desde el punto de vista de la aplicación práctica, se desea una estrategia novedosa para generar un sistema de órganos in vitro. Una de estas estrategias podría consistir en ensamblar los múltiples tipos de organoides como piezas. La investigación para controlar la configuración de los organoides y cultivarlos in vitro será la próxima tendencia en el campo de la medicina regenerativa.

Figura 5. Bioingeniería de un IOS tridimensional a partir de células iPS. (a) Esquema de la formación de IOS a partir de células madre pluripotentes mediante la inducción de campos de formación de piel y posteriores señales inductoras de sistemas de órganos. (b) Esquema de los cultivos de EBs y del novedoso método de trasplante, un trasplante de EB dependiente de la agrupación (CDB), en el que las EBs se disponen espacialmente en geles de colágeno para inducir tejidos epiteliales. Barra de escala: 50 µm. (c) Microscopía de disección (i) y tinción H&E (ii) de IOS tridimensionales derivadas de células iPS. Barra de escala: 500 µm. (d) Microscopía de disección de un fragmento de piel de la IOS de bioingeniería antes (i) y después (ii) del trasplante. Obsérvese que la erupción y el crecimiento del tallo piloso se produjeron después del trasplante del fragmento de piel. Barra de escala: 200 µm.

Conclusión y perspectivas futuras

En esta década, los estudios de regeneración de órganos a partir de la tecnología de bioingeniería han dado grandes pasos hacia la realización de la terapia regenerativa de órganos incorporando los conceptos de la biología de las células madre y la biología del desarrollo. Según los hallazgos de los estudios sobre organoides, prácticamente todos los mini-órganos pueden generarse a partir de células madre pluripotentes o de células madre tisulares, lo que disipa las preocupaciones sobre la fuente celular para la terapia regenerativa de órganos. La regeneración funcional de órganos ectodérmicos utilizando células aisladas de gérmenes de órganos embrionarios, células madre con potencial inductor de órganos y células madre pluripotentes demuestra el concepto de la terapia de sustitución de órganos.

El desarrollo de un sistema de cultivo tridimensional in vitro con la capacidad de hacer crecer organoides y gérmenes de órganos hasta un tamaño adecuado es esencial para lograr la regeneración funcional de múltiples órganos y sistemas de órganos. Los actuales sistemas de cultivo in vitro no permiten el crecimiento o mantenimiento adecuado de organoides o gérmenes de órganos debido a la aparición de necrosis en el interior de estos tejidos, principalmente por la falta de suministro de nutrientes. In vivo, el sistema de circulación sanguínea es esencial para mantener las funciones de los órganos mediante el transporte de oxígeno, el suministro de nutrientes y la eliminación de residuos. Los recientes avances en ingeniería de tejidos han demostrado que la red vascular administra sustancias biológicas al interior del esferoide celular . Además, anteriormente desarrollamos un sistema de cultivo de perfusión de órganos utilizando una red vascular que mantenía el hígado de rata en una condición saludable durante un período prolongado , proporcionando pistas para el desarrollo de un novedoso sistema de cultivo tridimensional.

Debido a que las células madre del folículo piloso son las únicas células madre adultas que poseen un potencial inductor de órganos que puede ser trasplantado de forma autógena, el primer ensayo clínico en humanos de la terapia regenerativa de órganos sin duda investigará la regeneración del folículo piloso. La regeneración de los folículos pilosos mediante nuestro método de germinación de órganos se está investigando ahora en un estudio preclínico para curar a pacientes que padecen alopecia androgénica, con el objetivo de realizar ensayos clínicos en 2020. Esta terapia regenerativa del folículo piloso será un hito en las terapias regenerativas de órganos y conducirá al desarrollo de una infraestructura material y receptiva para realizar la medicina regenerativa de órganos. La aplicación de los conocimientos sobre la regeneración del folículo piloso y la experiencia obtenida en los ensayos clínicos a otros gérmenes de órganos u organoides permitirá la regeneración de otros órganos a partir de células madre pluripotentes y tisulares en combinación con tecnologías de organoides en las próximas décadas.

Accesibilidad a los datos

Este artículo no tiene datos adicionales.

Contribuciones de los autores

T.T. diseñó esta revisión. E.I., M.O., M.T. y T.T. redactaron el manuscrito.

Intereses en competencia

Este estudio se realizó en virtud de un acuerdo de invención entre Riken y Organ Technologies Inc. T.T. es director de Organ Technologies Inc.

Financiación

La publicación de esta revisión ha sido parcialmente financiada por una subvención para KIBAN (A) del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología (subvención nº 25242041) y por una subvención de colaboración (a T.T.) de Organ Technologies Inc. Este trabajo fue parcialmente financiado por Organ Technologies Inc.

Agradecimientos

Los autores agradecen a los miembros de sus laboratorios que realizaron los experimentos referidos en el manuscrito.

Notas a pie de página

© 2019 Los Autores.

Publicado por la Royal Society bajo los términos de la Licencia de Atribución de Creative Commons http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/, que permite su uso sin restricciones, siempre que se acrediten el autor original y la fuente.