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encapsulación celular

La encapsulación celular es una posible solución al rechazo de injertos en aplicaciones de ingeniería de tejidos . La tecnología de microencapsulación celular implica la inmovil...

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La encapsulación celular es una posible solución al rechazo de injertos en aplicaciones de ingeniería de tejidos . La tecnología de microencapsulación celular implica la inmovilización de células dentro de una membrana polimérica semipermeable . Esto permite la difusión bidireccional de moléculas como el oxígeno, los nutrientes, los factores de crecimiento , etc., esenciales para el metabolismo celular , y la difusión hacia el exterior de productos de desecho y proteínas terapéuticas . Al mismo tiempo, la naturaleza semipermeable de la membrana impide que las células inmunitarias y los anticuerpos destruyan las células encapsuladas, considerándolas invasoras extrañas. Por otro lado, la nanoencapsulación de células individuales (SCNE) implica la formación de capas nanométricas alrededor de células vivas individuales. [ 1 ]

La encapsulación celular podría reducir la necesidad de utilizar fármacos inmunosupresores a largo plazo después de un trasplante de órganos para controlar los efectos secundarios.

Esquema que ilustra la microencapsulación celular.
Esquema que ilustra la microencapsulación celular.

Historia

En 1933, Vincenzo Bisceglie realizó el primer intento de encapsular células en membranas poliméricas. Demostró que las células tumorales en una estructura polimérica trasplantadas en la cavidad abdominal de un cerdo permanecieron viables durante un largo período sin ser rechazadas por el sistema inmunitario . [ 2 ]

Treinta años después, en 1964, Thomas Chang propuso la idea de encapsular células dentro de microcápsulas de membrana polimérica ultrafinas para brindarles inmunoprotección, introduciendo el término " células artificiales " para definir este concepto de bioencapsulación. [ 3 ] Sugirió que estas células artificiales, producidas mediante un método de goteo, no solo protegían a las células encapsuladas del rechazo inmunológico, sino que también proporcionaban una alta relación superficie-volumen que permitía una buena transferencia de masa de oxígeno y nutrientes. [ 3 ] Veinte años después, este enfoque se puso en práctica con éxito en modelos animales pequeños cuando se desarrollaron microcápsulas de alginato-polilisina-alginato (APA) que inmovilizaban células de islotes de xenoinjerto . [ 4 ] El estudio demostró que cuando estos islotes microencapsulados se implantaron en ratas diabéticas , las células permanecieron viables y controlaron los niveles de glucosa durante varias semanas. En 1998 se realizaron ensayos en humanos utilizando células encapsuladas. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Se utilizaron células encapsuladas que expresaban una enzima citocromo P450 para activar localmente un profármaco antitumoral en un ensayo para el cáncer de páncreas avanzado no resecable . Se demostró aproximadamente el doble del tiempo de supervivencia en comparación con los controles históricos.

Microencapsulación celular como herramienta para la ingeniería de tejidos y la medicina regenerativa.

Podrían surgir preguntas sobre por qué se requiere la técnica de encapsulación de células cuando los productos terapéuticos podrían inyectarse directamente en el sitio. Una razón importante es que las células encapsuladas proporcionarían una liberación continua y sostenida de productos terapéuticos durante períodos más prolongados en el sitio de implantación. Otra ventaja de la tecnología de microencapsulación celular es que permite la carga de células no humanas y genéticamente modificadas en la matriz polimérica cuando la disponibilidad de células donantes es limitada. [ 8 ] La microencapsulación es una técnica valiosa para la administración local, regional y oral de productos terapéuticos, ya que puede implantarse en numerosos tipos de tejidos y órganos. Para la administración prolongada de fármacos en el sitio de tratamiento, la implantación de estas células artificiales cargadas con fármacos sería más rentable en comparación con la administración directa de fármacos. Además, la posibilidad de implantar células artificiales con una composición química similar en varios pacientes, independientemente de su antígeno leucocitario , podría permitir una reducción de costos. [ 8 ]

Parámetros clave de la tecnología de microencapsulación celular

El potencial de la microencapsulación celular en aplicaciones clínicas exitosas solo se puede aprovechar si se optimizan varios requisitos que surgen durante el proceso de desarrollo, como el uso de un polímero biocompatible adecuado para formar la matriz semipermeable mecánica y químicamente estable, la producción de microcápsulas de tamaño uniforme, el uso de policatiónes inmunocompatibles adecuados reticulados al polímero de encapsulación para estabilizar las cápsulas y la selección de un tipo de célula adecuado según la situación.

Biomateriales

El uso del mejor biomaterial según la aplicación es crucial en el desarrollo de sistemas de administración de fármacos e ingeniería de tejidos. El polímero alginato es muy utilizado debido a su descubrimiento temprano, fácil disponibilidad y bajo costo, pero también se han empleado otros materiales como sulfato de celulosa, colágeno , quitosano , gelatina y agarosa .

Alginato

Varios grupos han estudiado exhaustivamente diversos polímeros naturales y sintéticos con el objetivo de desarrollar el biomaterial más adecuado para la microencapsulación celular. [ 9 ] [ 10 ] Se ha realizado un extenso trabajo utilizando alginatos, considerados los biomateriales más adecuados para la microencapsulación celular debido a su abundancia, excelente biocompatibilidad y propiedades de biodegradabilidad . El alginato es un polímero natural que se puede extraer de algas marinas y bacterias [ 11 ] con numerosas composiciones según la fuente de aislamiento. [ 11 ]

El alginato no está exento de críticas. Algunos investigadores creen que los alginatos con alto contenido de M podrían producir una respuesta inflamatoria [ 12 ] [ 13 ] y un crecimiento celular anormal [ 14 ] mientras que otros han demostrado que el alginato con alto contenido de G conduce a un crecimiento celular aún mayor [ 15 ] [ 16 ] y reacción inflamatoria in vivo en comparación con los alginatos de G intermedio. [ 17 ] [ 18 ] Incluso los alginatos ultrapuros pueden contener endotoxinas y polifenoles que podrían comprometer la biocompatibilidad de las microcápsulas celulares resultantes. [ 16 ] [ 19 ] [ 20 ] Se ha demostrado que, si bien los procesos de purificación reducen con éxito el contenido de endotoxinas y polifenoles en el alginato procesado, es difícil reducir el contenido de proteínas [ 19 ] y los procesos de purificación podrían, a su vez, modificar las propiedades del biomaterial. [ 20 ] Por lo tanto, es esencial que se diseñe un proceso de purificación eficaz para eliminar todos los contaminantes del alginato antes de que pueda utilizarse con éxito en aplicaciones clínicas.

Modificación y funcionalización del alginato

Los investigadores también han podido desarrollar microcápsulas de alginato con una forma alterada de alginato con biocompatibilidad mejorada y mayor resistencia a la hinchazón osmótica. [ 21 ] [ 22 ] Otro enfoque para aumentar la biocompatibilidad del biomaterial de membrana es a través de la modificación de la superficie de las cápsulas utilizando moléculas de péptidos y proteínas que a su vez controlan la proliferación y la tasa de diferenciación de las células encapsuladas. Un grupo que ha estado trabajando extensamente en el acoplamiento de la secuencia de aminoácidos Arg-Gly-Asp (RGD) a hidrogeles de alginato demostró que el comportamiento celular puede ser controlado por la densidad de RGD acoplada en los geles de alginato. Las micropartículas de alginato cargadas con células mioblásticas y funcionalizadas con RGD permitieron controlar sobre el crecimiento y la diferenciación de las células cargadas. [ 23 ] [ 24 ] Otro factor vital que controla el uso de microcápsulas celulares en aplicaciones clínicas es el desarrollo de un policatión inmunocompatible adecuado para recubrir las perlas de alginato, que de otro modo serían altamente porosas, y así impartir estabilidad y protección inmunológica al sistema. [ 25 ] La poli-L-lisina es el policatión más comúnmente utilizado, pero su baja biocompatibilidad restringe el uso clínico exitoso de estas microcápsulas formuladas con PLL, que atraen células inflamatorias, induciendo así la necrosis de las células cargadas. [ 26 ] Los estudios también han demostrado que las microcápsulas de alginato-PLL-alginato (APA) presentan baja estabilidad mecánica y corta durabilidad. Por lo tanto, varios grupos de investigación han estado buscando alternativas a la PLL y han demostrado resultados prometedores con poli-L-ornitina [ 27 ] y clorhidrato de poli(metileno-co-guanidina) [ 28 ] mediante la fabricación de microcápsulas duraderas con alta y controlada resistencia mecánica para la encapsulación celular.

Varios grupos también han investigado el uso de quitosano , un policatión de origen natural, como posible sustituto de la PLL para fabricar microcápsulas de alginato-quitosano (AC) para aplicaciones de administración celular. [ 29 ] [ 30 ] Sin embargo, los estudios también han demostrado que la estabilidad de esta membrana de AC es nuevamente limitada [ 31 ] [ 32 ] y un grupo demostró que la modificación de estas microcápsulas de alginato-quitosano con genipina , un glucósido iridoide natural de los frutos de gardenia, para formar microcápsulas de alginato-quitosano reticuladas con genipina (GCAC) podría aumentar la estabilidad de las microcápsulas cargadas con células. [ 31 ]

Microfotografías de las microcápsulas de alginato-quitosano (AC).
Microfotografías de las microcápsulas de alginato - quitosano (AC)

Colágeno

El colágeno, un componente proteico principal de la MEC, proporciona soporte a tejidos como la piel, el cartílago, los huesos, los vasos sanguíneos y los ligamentos, y por ello se considera un andamio o matriz modelo para la ingeniería de tejidos debido a sus propiedades de biocompatibilidad, biodegradabilidad y capacidad para promover la unión celular. [ 33 ] Esta capacidad permite que el quitosano controle la distribución de las células dentro del sistema polimérico. Por lo tanto, el colágeno tipo I obtenido de tejidos animales se utiliza ahora con éxito comercialmente como biomaterial de ingeniería de tejidos para múltiples aplicaciones. [ 34 ] El colágeno también se ha utilizado en la reparación de nervios [ 35 ] y en la ingeniería de vejiga. [ 28 ] La inmunogenicidad ha limitado las aplicaciones del colágeno. Por esa razón, se ha considerado la gelatina como una alternativa. [ 36 ]

Gelatina

La gelatina se prepara mediante la desnaturalización del colágeno y muchas propiedades deseables, como la biodegradabilidad , la biocompatibilidad, la no inmunogenicidad en entornos fisiológicos y la facilidad de procesamiento, hacen de este polímero una buena opción para aplicaciones de ingeniería de tejidos. [ 37 ] Se utiliza en la ingeniería de tejidos para la piel, el hueso y el cartílago, y se utiliza comercialmente para reemplazos de piel. [ 38 ]

Quitosano

El quitosano es un polisacárido compuesto por D-glucosamina (unidad desacetilada) y N-acetil-D-glucosamina (unidad acetilada) unidas aleatoriamente mediante enlaces β-(1-4). Se obtiene por N-desacetilación de la quitina y se ha utilizado en diversas aplicaciones, como la administración de fármacos , [ 39 ] implantes de relleno de espacio [ 40 ] y apósitos para heridas. [ 41 ] Sin embargo, una desventaja de este polímero son sus débiles propiedades mecánicas, por lo que a menudo se combina con otros polímeros, como el colágeno, para formar un polímero con propiedades mecánicas más resistentes para aplicaciones de encapsulación celular. [ 42 ]

Agarosa

La agarosa es un polisacárido derivado de algas marinas que se utiliza para la nanoencapsulación de células, y la suspensión de células/agarosa [ 43 ] puede modificarse para formar microesferas reduciendo la temperatura durante la preparación. [ 44 ] Sin embargo, un inconveniente de las microesferas así obtenidas es la posibilidad de que las células protruyan a través de la pared de la matriz polimérica después de la formación de las cápsulas.

sulfato de celulosa

El sulfato de celulosa se deriva del algodón y, una vez procesado adecuadamente, puede utilizarse como base biocompatible para la suspensión de células. Al sumergir la solución polianiónica de sulfato de celulosa en una segunda solución policatiónica (p. ej., pDADMAC), se forma una membrana semipermeable alrededor de las células suspendidas como resultado de la gelificación entre los dos poliiones. Tanto las líneas celulares de mamíferos como las células bacterianas permanecen viables y continúan replicándose dentro de la membrana de la cápsula para llenarla. De este modo, a diferencia de otros materiales de encapsulación, las cápsulas pueden utilizarse para el cultivo celular y funcionar como un mini-biorreactor. La biocompatibilidad del material se ha demostrado mediante estudios que utilizan las propias cápsulas rellenas de células para su implantación, así como el material de la cápsula aislado. [ 45 ] Las cápsulas formadas a partir de sulfato de celulosa se han utilizado con éxito, demostrando seguridad y eficacia, en ensayos clínicos y preclínicos tanto en humanos como en animales, principalmente como tratamientos contra el cáncer, pero también explorando posibles usos para la terapia génica o las terapias con anticuerpos. [ 5 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] Utilizando sulfato de celulosa ha sido posible fabricar células encapsuladas como producto farmacéutico a gran escala y cumpliendo con los estándares de Buenas Prácticas de Fabricación (cGMP). Esto fue logrado por la empresa Austrianova en 2007. [ 50 ]

Biocompatibilidad

El uso de un biomaterial ideal de alta calidad con propiedades inherentes de biocompatibilidad es el factor más crucial que rige la eficiencia a largo plazo de esta tecnología. Un biomaterial ideal para la encapsulación celular debe ser totalmente biocompatible , no desencadenar una respuesta inmune en el huésped y no interferir con la homeostasis celular para asegurar una alta viabilidad celular. [ 51 ] Sin embargo, una limitación importante ha sido la incapacidad de reproducir los diferentes biomateriales y los requisitos para obtener una mejor comprensión de la química y la biofuncionalidad de los biomateriales y el sistema de microencapsulación . [ 43 ] Varios estudios demuestran que la modificación de la superficie de estas micropartículas que contienen células permite controlar el crecimiento y la diferenciación celular. [ 43 ] [ 52 ] de las células encapsuladas. [ 53 ]

Un estudio propuso el uso del potencial zeta , que mide la carga eléctrica de la microcápsula, como medio para predecir la reacción interfacial entre la microcápsula y el tejido circundante y, a su vez, la biocompatibilidad del sistema de administración. [ 54 ]

Permeabilidad de la microcápsula

Un criterio fundamental que debe establecerse al desarrollar cualquier dispositivo con una membrana semipermeable es ajustar la permeabilidad del dispositivo en términos de entrada y salida de moléculas. [ 55 ] [ 56 ] Es esencial que la microcápsula celular se diseñe con un espesor uniforme y que se controle tanto la velocidad de entrada de moléculas necesarias para la viabilidad celular como la velocidad de salida de productos terapéuticos y material de desecho a través de la membrana de la cápsula. La inmunoprotección de la célula cargada es un aspecto clave que debe tenerse en cuenta al trabajar en la permeabilidad de la membrana de encapsulación, ya que no solo las células inmunitarias, sino también los anticuerpos y las citoquinas deben impedir la entrada a la microcápsula, lo cual depende del tamaño de poro de la biomembrana. [ 56 ]

Se ha demostrado que, dado que los diferentes tipos de células tienen diferentes requerimientos metabólicos, dependiendo del tipo de célula encapsulada en la membrana, la permeabilidad de la membrana debe optimizarse. [ 57 ] Varios grupos se han dedicado al estudio de la permeabilidad de la membrana de las microcápsulas celulares [ 52 ] [ 53 ] [ 58 ] y, aunque se ha demostrado el papel de la permeabilidad de ciertos elementos esenciales como el oxígeno, [ 59 ] los requerimientos de permeabilidad de cada tipo de célula aún no se han determinado.

El citrato de sodio se utiliza para la degradación de las microesferas de alginato tras la encapsulación de las células. [ 60 ] Con el fin de determinar la viabilidad de las células o para realizar experimentos adicionales. Se utilizan concentraciones de aproximadamente 25 mM para disolver las microesferas de alginato y la solución se centrifuga para eliminar el citrato de sodio y recolectar las células.

Resistencia mecánica y durabilidad

Es esencial que las microcápsulas tengan una resistencia de membrana adecuada (estabilidad mecánica) para soportar el estrés físico y osmótico , como el que se produce durante el intercambio de nutrientes y productos de desecho. Las microcápsulas deben ser lo suficientemente fuertes y no deben romperse durante la implantación, ya que esto podría provocar un rechazo inmunitario de las células encapsuladas. [ 56 ] Por ejemplo, en el caso del xenotrasplante , se requeriría una membrana más resistente y estable en comparación con el alotrasplante . Asimismo, al investigar el potencial del uso de microcápsulas de APA cargadas con células activas de Lactobacillus plantarum 80 sobreproductoras de hidrolasa de sales biliares (BSH), en un modelo simulado del tracto gastrointestinal para aplicaciones de administración oral, se evaluó la integridad mecánica y la forma de las microcápsulas. Se demostró que las microcápsulas de APA podrían utilizarse potencialmente en la administración oral de células bacterianas vivas. [ 61 ] Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que las microcápsulas de GCAC poseen una mayor estabilidad mecánica en comparación con las microcápsulas de APA para aplicaciones de administración oral. [ 62 ] Martoni et al. estaban experimentando con cápsulas llenas de bacterias que se tomarían por vía oral para reducir el colesterol sérico. Las cápsulas se bombearon a través de una serie de vasos que simulaban el tracto gastrointestinal humano para determinar qué tan bien sobrevivirían las cápsulas en el cuerpo. Es necesaria una investigación extensa sobre las propiedades mecánicas del biomaterial que se utilizará para la microencapsulación celular para determinar la durabilidad de las microcápsulas durante la producción y especialmente para aplicaciones in vivo donde se requiere una liberación sostenida del producto terapéutico durante largos períodos. Van der Wijngaart et al. [ 58 ] injertaron una cubierta sólida, pero permeable, alrededor de las células para proporcionar mayor resistencia mecánica.

Ilustración de la integridad de la microcápsula de APA y cambios morfológicos durante el tránsito gastrointestinal simulado. (a) Tránsito pregástrico. (b) Tránsito postgástrico (60 minutos). (c) Tránsito postgástrico (60 minutos) e intestinal (10 horas). Tamaño de la microcápsula: (a) 608 ± 36 μm (b) 544 ± 40 μm (c) 725 ± 55 μm.
Ilustración de la integridad de la microcápsula de APA y cambios morfológicos durante el tránsito gastrointestinal simulado. (a) Tránsito pregástrico. (b) Tránsito postgástrico (60 minutos). (c) Tránsito postgástrico (60 minutos) e intestinal (10 horas). Tamaño de la microcápsula: (a) 608 ± 36 μm (b) 544 ± 40 μm (c) 725 ± 55 μm. De Martoni et al. (2007).

El citrato de sodio se utiliza para la degradación de las microesferas de alginato tras la encapsulación de las células. [ 60 ] Con el fin de determinar la viabilidad de las células o para realizar experimentos adicionales. Se utilizan concentraciones de aproximadamente 25 mM para disolver las microesferas de alginato y la solución se centrifuga para eliminar el citrato de sodio y recolectar las células.

Métodos para evaluar las propiedades mecánicas de las microcápsulas.

  • Un reómetro [ 63 ] es una máquina que se utiliza para probar
    • velocidad de cizallamiento
    • resistencia al corte
    • coeficiente de consistencia
    • índice de comportamiento del flujo
  • Viscosímetro - prueba de resistencia al corte

Generación de microcápsulas

Microfluídica

La microfluídica basada en gotas se puede utilizar para generar micropartículas con tamaño repetible. [ 58 ]

  • manipulación de la solución de alginato para permitir la creación de microcápsulas

Técnicas de pulverización electrostática

La electroaspersión se utiliza para crear esferas de alginato bombeando una solución de alginato a través de una aguja. Se emplea una fuente de alto voltaje, generalmente proporcionada por una pinza conectada a la aguja, para generar un potencial eléctrico que provoca que el alginato caiga desde la punta de la aguja hacia una solución conectada a tierra. Se utiliza cloruro de calcio como solución de reticulación, en la cual las cápsulas generadas caen y se endurecen después de aproximadamente 30 minutos. Las perlas se forman a partir de la aguja debido a la carga y la tensión superficial. [ 63 ]

  • Dependencia del tamaño de las cuentas
    • alteraciones de altura del dispositivo desde la aguja hasta la solución de cloruro de calcio
    • alteraciones de voltaje de la pinza en la aguja
    • alteraciones en la concentración de alginato

Tamaño de la microcápsula

El diámetro de las microcápsulas es un factor importante que influye tanto en la respuesta inmunitaria hacia las microcápsulas celulares como en el transporte de masa a través de la membrana de la cápsula. Los estudios muestran que la respuesta celular a las cápsulas más pequeñas es mucho menor en comparación con las cápsulas más grandes [ 64 ] y, en general, el diámetro de las microcápsulas cargadas con células debe estar entre 350 y 450  μm para permitir una difusión efectiva a través de la membrana semipermeable. [ 65 ] [ 66 ]

Elección de celda

El tipo de célula elegido para esta técnica depende de la aplicación deseada de las microcápsulas celulares. Las células colocadas en las cápsulas pueden ser del paciente ( células autólogas ), de otro donante (células alogénicas) o de otras especies (células xenogénicas). [ 67 ] El uso de células autólogas en la terapia de microencapsulación está limitado por la disponibilidad de estas células y, aunque las células xenogénicas son fácilmente accesibles, el peligro de una posible transmisión de virus , especialmente retrovirus endógeno porcino al paciente, restringe su aplicación clínica, [ 68 ] y después de mucho debate, varios grupos han concluido que los estudios deberían incluir el uso de células alogénicas en lugar de xenogénicas. [ 69 ] Dependiendo de la aplicación, las células pueden ser alteradas genéticamente para expresar cualquier proteína requerida. [ 70 ] Sin embargo, se debe realizar suficiente investigación para validar la seguridad y estabilidad del gen expresado antes de que estos tipos de células puedan usarse.

Esta tecnología no ha recibido aprobación para ensayos clínicos debido a la alta inmunogenicidad de las células cargadas en las cápsulas. Secretan citocinas y producen una reacción inflamatoria severa en el sitio de implantación alrededor de las cápsulas, lo que a su vez conduce a una disminución en la viabilidad de las células encapsuladas. [ 16 ] [ 71 ] Un enfoque prometedor que se está estudiando es la administración de fármacos antiinflamatorios para reducir la respuesta inmune producida debido a la administración de las microcápsulas cargadas con células. [ 72 ] [ 73 ] Otro enfoque que ahora es el foco de una extensa investigación es el uso de células madre como las células madre mesenquimales para la microencapsulación celular a largo plazo y aplicaciones de terapia celular con la esperanza de reducir la respuesta inmune en el paciente después de la implantación. [ 74 ] Otro problema que compromete la viabilidad a largo plazo de las células microencapsuladas es el uso de líneas celulares de rápida proliferación que eventualmente llenan todo el sistema y conducen a una disminución en la eficiencia de difusión a través de la membrana semipermeable de la cápsula. [ 70 ] Una solución a esto podría ser el uso de tipos de células como los mioblastos que no proliferan después del procedimiento de microencapsulación.

Aplicaciones no terapéuticas

Los probióticos se utilizan cada vez más en numerosos productos lácteos como helados, leche en polvo, yogures, postres lácteos congelados y quesos debido a sus importantes beneficios para la salud. Sin embargo, la baja viabilidad de las bacterias probióticas en los alimentos sigue siendo un obstáculo importante. El pH , el contenido de oxígeno disuelto, la acidez titulable, la temperatura de almacenamiento, las especies y cepas de organismos asociativos de productos lácteos fermentados y la concentración de ácidos láctico y acético son algunos de los factores que afectan en gran medida la viabilidad de los probióticos en el producto. [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ] Según lo establecido por la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) y la Organización Mundial de la Salud (OMS), el estándar para ser considerado un alimento saludable con adición de probióticos, el producto debe contener por gramo al menos 10 6 -10 7 ufc de bacterias probióticas viables . [ 78 ] Es necesario que las células bacterianas permanezcan estables y sanas en el producto fabricado, sean suficientemente viables mientras se mueven a través del tracto digestivo superior y sean capaces de proporcionar efectos positivos al llegar al intestino del huésped. [ 79 ]

La tecnología de microencapsulación celular se ha aplicado con éxito en la industria alimentaria para la encapsulación de células bacterianas probióticas vivas con el fin de aumentar la viabilidad de las bacterias durante el procesamiento de productos lácteos y para su administración dirigida al tracto gastrointestinal. [ 80 ]

Además de en productos lácteos, los probióticos microencapsulados también se han utilizado en productos no lácteos, como Theresweet™ , un edulcorante . Este producto puede utilizarse como un vehículo práctico para la administración de Lactobacillus encapsulado al intestino, aunque no sea un producto lácteo en sí mismo.

Aplicaciones terapéuticas

Diabetes

El potencial del páncreas bioartificial para el tratamiento de la diabetes mellitus , basado en la encapsulación de células de los islotes dentro de una membrana semipermeable, está siendo estudiado exhaustivamente por científicos. Estos dispositivos podrían eliminar la necesidad de fármacos inmunosupresores, además de resolver finalmente el problema de la escasez de donantes de órganos. El uso de la microencapsulación protegería las células de los islotes del rechazo inmunitario y permitiría el uso de células animales o células productoras de insulina modificadas genéticamente. [ 81 ] Se espera que el desarrollo de estas microcápsulas con islotes encapsulados pueda prevenir la necesidad de inyecciones de insulina varias veces al día en pacientes con diabetes tipo 1. [ 67 ] El protocolo de Edmonton implica la implantación de islotes humanos extraídos de donantes cadavéricos y ha mostrado mejoras en el tratamiento de pacientes con diabetes tipo 1 propensos a la hipoglucemia asintomática. [ 82 ] Sin embargo, los dos principales obstáculos que enfrenta esta técnica son la disponibilidad limitada de órganos de donantes y la necesidad de inmunosupresores para prevenir una respuesta inmune en el cuerpo del paciente.

Se han realizado varios estudios para desarrollar páncreas bioartificiales mediante la inmovilización de islotes de Langerhans dentro de cápsulas poliméricas. El primer intento en este sentido fue demostrado en 1980 por Lim et al., quienes encapsularon células de islotes de xenoinjerto dentro de microcápsulas de alginato polilisina y mostraron resultados significativos in vivo durante varias semanas. [ 4 ] Se prevé que la implantación de estas células encapsuladas ayude a superar el uso de fármacos inmunosupresores y también permita el uso de células de xenoinjerto, evitando así el problema de la escasez de donantes.

Los polímeros utilizados para la microencapsulación de islotes son alginato, [ 83 ] quitosano, [ 84 ] polietilenglicol (PEG), [ 85 ] agarosa, [ 86 ] sulfato de celulosa sódica y poliacrilatos insolubles en agua, siendo el alginato y el PEG los polímeros más utilizados. Tras el éxito de los estudios in vitro realizados con esta técnica, se está llevando a cabo un trabajo significativo en ensayos clínicos con islotes humanos microencapsulados. En 2003, el Ministerio de Salud italiano autorizó el uso de microcápsulas de alginato/PLO que contenían células de islotes para ensayos clínicos piloto de fase 1 en la Universidad de Perugia. [ 55 ] En otro estudio, se evaluó el potencial de aplicación clínica de la PEGilación y bajas dosis del inmunosupresor ciclosporina A. El ensayo, iniciado en 2005 por Novocell, constituye ahora la fase I/II de los ensayos clínicos que implican la implantación de aloinjertos de islotes en el sitio subcutáneo . [ 87 ] Sin embargo, se han realizado estudios controvertidos que involucran ensayos clínicos en humanos donde Living Cell Technologies Ltd demostró la supervivencia de células xenogénicas funcionales trasplantadas sin medicación inmunosupresora durante 9,5 años. [ 88 ] Sin embargo, el ensayo recibió duras críticas de la Asociación Internacional de Xenotrasplantes por ser arriesgado y prematuro. [ 89 ] No obstante, aunque los ensayos clínicos están en marcha, es necesario superar varios problemas importantes, como la biocompatibilidad y la inmunoprotección. [ 90 ]

También se están explorando alternativas potenciales para la encapsulación de islotes aislados (de origen alogénico o xenogénico). Mediante la tecnología de sulfato de celulosa sódica de Austrianova Singapur , se encapsuló una línea celular de islotes y se demostró que las células permanecen viables y liberan insulina en respuesta a la glucosa. [ 91 ] En estudios preclínicos, las células encapsuladas e implantadas lograron restablecer los niveles de glucosa en sangre en ratas diabéticas durante un período de 6 meses. [ 92 ]

Cáncer

El uso de microcápsulas encapsuladas con células para el tratamiento de varias formas de cáncer ha demostrado un gran potencial. Un enfoque adoptado por los investigadores es mediante la implantación de microcápsulas que contienen células secretoras de citocinas modificadas genéticamente. Un ejemplo de esto fue demostrado por Cirone et al. cuando mioblastos de ratón no autólogos modificados genéticamente secretores de citocina IL-2 implantados en ratones mostraron un retraso en el crecimiento del tumor con una mayor tasa de supervivencia de los animales. [ 93 ] Sin embargo, la eficacia de este tratamiento fue breve debido a una respuesta inmune a las microcápsulas implantadas. Otro enfoque para la supresión del cáncer es mediante el uso de inhibidores de la angiogénesis para prevenir la liberación de factores de crecimiento que conducen a la propagación de tumores. El efecto de implantar microcápsulas cargadas con células xenogénicas modificadas genéticamente para secretar endostatina , un fármaco antiangiogénico que causa apoptosis en las células tumorales , ha sido ampliamente estudiado. [ 94 ] [ 95 ] Sin embargo, este método de administración local de microcápsulas no fue factible en el tratamiento de pacientes con muchos tumores o en casos de metástasis y ha llevado a estudios recientes que involucran la implantación sistémica de las cápsulas. [ 96 ] [ 97 ]

En 1998, se utilizó un modelo murino de cáncer de páncreas para estudiar el efecto de implantar células epiteliales felinas que expresaban citocromo P450 genéticamente modificado y encapsuladas en polímeros de sulfato de celulosa para el tratamiento de tumores sólidos. [ 98 ] Este enfoque demostró por primera vez la aplicación de células que expresan enzimas para activar agentes quimioterapéuticos. Sobre la base de estos resultados, se probó un producto de terapia celular encapsulada, NovaCaps, en un ensayo clínico de fase I y II para el tratamiento del cáncer de páncreas en pacientes [ 99 ] [ 100 ] y recientemente ha sido designado por la Agencia Europea de Medicamentos (EMA) como medicamento huérfano en Europa. Un ensayo clínico adicional de fase I/II con el mismo producto confirmó los resultados del primer ensayo, demostrando una duplicación aproximada del tiempo de supervivencia en pacientes con cáncer de páncreas en estadio IV. [ 101 ] En todos estos ensayos con sulfato de celulosa, además de los claros efectos antitumorales, las cápsulas fueron bien toleradas y no se observaron reacciones adversas, como respuesta inmunitaria, lo que demuestra la biocompatibilidad de las cápsulas de sulfato de celulosa. En un paciente, las cápsulas permanecieron colocadas durante casi dos años sin efectos secundarios.

Estos estudios muestran el prometedor potencial de aplicación de las microcápsulas celulares para el tratamiento del cáncer. [ 43 ] Sin embargo, es necesario investigar en detalle las soluciones a problemas como la respuesta inmunitaria que provoca inflamación del tejido circundante en el lugar de implantación de la cápsula antes de que se puedan realizar más ensayos clínicos.

Enfermedades del corazón

Numerosos estudios se han dedicado al desarrollo de métodos eficaces para permitir la regeneración del tejido cardíaco en pacientes con cardiopatía isquémica . Un enfoque emergente para abordar los problemas relacionados con la reparación del tejido isquémico es el uso de la terapia con células madre. [ 102 ] Sin embargo, el mecanismo exacto por el cual esta terapia con células madre tiene efectos regenerativos sobre la función cardíaca aún está en investigación. Si bien se han estudiado numerosos métodos para la administración celular, la eficiencia del número de células retenidas en el corazón latiendo después de la implantación sigue siendo muy baja. Un enfoque prometedor para superar este problema es el uso de la terapia de microencapsulación celular, que ha demostrado permitir una mayor retención celular en comparación con la inyección de células madre libres en el corazón. [ 103 ]

Otra estrategia para mejorar el impacto de la técnica de encapsulación basada en células hacia aplicaciones regenerativas cardíacas es a través del uso de células madre genéticamente modificadas capaces de secretar factores angiogénicos como el factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) que estimulan la neovascularización y restauran la perfusión en el corazón isquémico dañado. [ 104 ] [ 105 ] Un ejemplo de esto se muestra en el estudio de Zang et al. donde células CHO xenogénicas genéticamente modificadas que expresan VEGF fueron encapsuladas en microcápsulas de alginato-polilisina-alginato e implantadas en el miocardio de ratas. [ 106 ] Se observó que la encapsulación protegió a las células de una respuesta inmunitaria durante tres semanas y también condujo a una mejora en el tejido cardíaco después del infarto debido a una mayor angiogénesis.

Terapia con anticuerpos monoclonales

El uso de anticuerpos monoclonales para terapia está ahora muy extendido en el tratamiento de cánceres y enfermedades inflamatorias. Mediante la tecnología de sulfato de celulosa, los científicos han encapsulado con éxito células de hibridoma productoras de anticuerpos y han demostrado la posterior liberación del anticuerpo terapéutico desde las cápsulas. [ 46 ] [ 47 ] Las cápsulas que contenían las células de hibridoma se utilizaron en estudios preclínicos para administrar anticuerpos neutralizantes contra el retrovirus murino FrCasE, previniendo con éxito la enfermedad.

Otras condiciones

Muchas otras afecciones médicas se han abordado con terapias de encapsulación, especialmente aquellas que implican una deficiencia de alguna proteína de origen biológico. Uno de los enfoques más exitosos es un dispositivo externo que funciona de manera similar a una máquina de diálisis , solo que con un reservorio de hepatocitos porcinos que rodean la porción semipermeable del tubo de infusión de sangre. [ 107 ] Este aparato puede eliminar toxinas de la sangre de pacientes que sufren insuficiencia hepática grave . Otras aplicaciones que aún están en desarrollo incluyen células que producen factor neurotrófico derivado de cilios para el tratamiento de la ELA y la enfermedad de Huntington , factor neurotrófico derivado de glía para la enfermedad de Parkinson , eritropoyetina para la anemia y HGH para el enanismo . [ 108 ] Además, enfermedades monogénicas como la hemofilia, la enfermedad de Gaucher y algunos trastornos de mucopolisacáridos también podrían abordarse potencialmente con células encapsuladas que expresan la proteína que de otro modo falta en el paciente.

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