El corazón – Academia Nacional de Medicina | Una institución en su tiempo

Resumen

La creciente incidencia de la insuficiencia cardíaca grave y las limitaciones del trasplante cardíaco y del corazón artificial implantable justifican la búsqueda de opciones alternativas. La autorreconstrucción del corazón podría ser una de ellas. Se basa en la utilización de una matriz extracelular derivada de un corazón animal y resembrada con células susceptibles de reconstituir un patrimonio contráctil, vascular y valvular compatible con una función cardíaca normal. Aunque las técnicas de descelularización están ya bien dominadas, todavía no se han resuelto los problemas que plantea la elección del tipo de célula capaz de generar los distintos componentes del tejido cardíaco (cardiomiocitos contráctiles, células endoteliales, células musculares lisas, miofibroblastos) y su modo de transferencia óptimo. Además, la recolonización de la matriz no sólo depende del fenotipo de las células utilizadas, sino que también está influenciada por la naturaleza de las señales bioquímicas emitidas por esta matriz y por su estado físico, y la modulación de estos dos factores es una estrategia susceptible de mejorar fuertemente el rendimiento contráctil del órgano así autorreconstruido. La complejidad de estos problemas hace que la sustitución completa del corazón por un biomaterial que sustituya al trasplante tradicional sea una perspectiva incierta y lejana. Por otra parte, la persecución de este objetivo tiene el interés de estimular el desarrollo de las técnicas de ingeniería tisular y, en este contexto, es más realista esperar, en un plazo probablemente bastante cercano, sustituciones parciales del corazón por matrices recelularizadas que vengan a reforzar porciones del miocardio fallido y que quizás incluso constituyan sustitutos de las actuales bioprótesis valvulares.

Resumen

La creciente incidencia de la insuficiencia cardíaca y las limitaciones del trasplante cardíaco y de los corazones artificiales totalmente implantables justifican la búsqueda de terapias alternativas. La autorreconstrucción del corazón podría ser una de ellas. Se basa en el uso de un andamio descelularizado de origen animal resembrado con células capaces de reconstituir un patrón contráctil, vascular y valvular que permita una función cardíaca normal. Mientras que las técnicas de descelularización están actualmente bien controladas, la elección del tipo de célula para generar los diferentes constituyentes del tejido cardíaco (cardiomiocitos, células endoteliales, células vasculares lisas, miofibroblastos), y el modo óptimo de transferencia celular, están todavía lejos de estar claros. Además, la recolonización del andamio no sólo depende del fenotipo de las células injertadas: también influye la naturaleza de las señales bioquímicas emitidas por el andamio y el estado físico del sustrato. La modulación de estos dos factores puede influir en el rendimiento contráctil del órgano autoconstruido. La complejidad de estos retos es tal que la sustitución total del corazón por un órgano autoconstruido es, en el mejor de los casos, una perspectiva lejana. Sin embargo, la persecución continua de este objetivo estimula el desarrollo de técnicas de bioingeniería, y la sustitución parcial del tejido cardíaco por andamios sembrados de células parece más factible. Las aplicaciones podrían incluir el fortalecimiento del miocardio infartado y, posiblemente, la sustitución de válvulas cardíacas.

La relevancia clínica de este concepto de órgano autoconstruido se ilustra con dos cifras: en Francia, cada año se producen unos diez mil nuevos casos de insuficiencia cardíaca grave, es decir, refractaria a los tratamientos farmacológicos actuales, y es previsible que esta incidencia siga aumentando con el envejecimiento de la población y la mejora del pronóstico del infarto de miocardio, que expone a un mayor número de supervivientes a la aparición tardía de la insuficiencia ventricular izquierda. El pronóstico de esta enfermedad sigue siendo grave en general, ya que el 50% de los pacientes mueren a los cuatro años y el 40% de los pacientes mueren o vuelven a ser hospitalizados en el plazo de un año tras la hospitalización por insuficiencia cardíaca. Aunque el trasplante de corazón sigue siendo el único tratamiento radical para los estadios más avanzados de la enfermedad, la escasez de donantes y las complicaciones de una fuerte inmunosupresión limitan necesariamente sus indicaciones. En cualquier caso, el número anual de trasplantes de corazón en Francia oscila en torno a los trescientos cincuenta, sin ninguna esperanza realista de que aumente. La remodelación quirúrgica del ventrículo izquierdo sólo está pensada para formas anatómicas específicas y los resultados negativos recientemente comunicados del estudio STICH (ausencia de beneficio de la remodelación del ventrículo izquierdo asociada a la cirugía de bypass coronario en comparación con la revascularización sola) conducirán sin duda a una revisión de las indicaciones de este tipo de procedimiento. La asistencia ventricular mecánica sigue siendo principalmente una solución de apoyo temporal a la espera de un trasplante, aunque, gracias a la miniaturización de los dispositivos de flujo continuo, su uso como tratamiento definitivo ha avanzado recientemente de forma sustancial (tasa de supervivencia: 58% a los dos años). Es cierto que la resincronización biventricular es un tratamiento simpático eficaz, pero sólo se dirige a una categoría específica de pacientes en los que fracasa en un 20% a 30% de los casos. Por último, no ha habido ningún progreso real en el campo farmacológico en los últimos diez años.

Por lo tanto, existe una necesidad real de nuevas opciones terapéuticas. En este contexto, los xenotransplantes, a pesar de las esperanzas suscitadas por la posibilidad técnica de crear animales transgénicos cuyos órganos podrían ser mejor tolerados en el ser humano, avanzan poco debido a la complejidad de los desafíos inmunológicos persistentes y al peso creciente de las restricciones de seguridad, que pueden hacer que las autoridades reguladoras desconfíen aún más del riesgo de epizootias. La terapia génica está aún en pañales en este campo y la complejidad de los mecanismos neurohormonales implicados en la insuficiencia cardíaca no se presta necesariamente a un enfoque cuyos éxitos, hasta la fecha, se han producido principalmente en enfermedades de un solo gen. La terapia celular tendrá sin duda su lugar, pero en formas intermedias, es decir, en pacientes que aún conservan un capital suficiente de células contráctiles. No obstante, las investigaciones en este campo han tenido el interés de poner de manifiesto el papel crucial que desempeñan las estructuras de soporte en la supervivencia, la proliferación y la diferenciación de las células injertadas, abriendo así el camino a una ingeniería tisular que combina células y matrices y que está en la base del concepto de órgano autoconstruido.

Cuestiones técnicas del corazón autoconstruido

Técnicamente, este concepto implica dos pasos temporalmente distintos.

El primero es la descelularización del órgano objetivo, realizada con éxito por el equipo de D. Taylor en un corazón de rata mediante perfusión de detergente químico y ampliada más recientemente por el mismo grupo a grandes corazones de mamíferos. La electroporación también ha demostrado ser eficaz, al menos en el caso del hígado, para lograr este objetivo de desaparición total de todo el material celular, un requisito previo para el uso potencial de órganos alogénicos o incluso xenogénicos, manteniendo la integridad bioquímica (contenido de colágeno, fibronectina, laminina) y física (orientación de las fibras) de la matriz extracelular, la permeabilidad del árbol vascular y la competencia de las válvulas.

La segunda etapa, más compleja, es la de la recelularización. Plantea, esquemáticamente, dos problemas: la elección de las celdas y su modo de transferencia.

Las especificaciones impuestas a las celdas son, en efecto, restrictivas. En primer lugar, es necesario reconstituir la diversidad de poblaciones celulares presentes en el corazón: los cardiomiocitos, que si bien representan, en volumen, cerca del 80% del corazón, constituyen, en número, sólo un tercio de las células del tejido cardíaco, estando las demás poblaciones constituidas por miofibroblastos, células endoteliales y células musculares lisas . Conceptualmente, son posibles tres estrategias:

– el uso de una única población de células pluripotentes capaz de dar lugar a todos los tipos de células del corazón bajo la única influencia de las señales químicas y físicas emitidas por la matriz extracelular; este enfoque parece poco realista ; – la utilización de células adultas ya diferenciadas en los linajes objetivo; en este marco, la obtención de fibroblastos y células vasculares puede estar relativamente bien controlada, sobre todo porque pueden incluso ser cosechadas del futuro «receptor» del órgano reconstituido (con las limitaciones inherentes a los productos autólogos: funcionalidad variable, complejidad logística y coste), como se ha logrado con éxito para fabricar tubos vasculares implantados en pacientes de hemodiálisis; el problema es naturalmente más complejo para obtener células cardiogénicas que no sólo deben poseer propiedades intrínsecamente contráctiles, sino también ser capaces de acoplarse entre sí, latir sincrónicamente y modular su frecuencia en respuesta a estímulos neurohumorales o farmacológicos. Sin embargo, hoy sabemos que la plasticidad de las células somáticas adultas es limitada y no les permite diferenciarse en cardiomiocitos. Esto sólo es posible con células pluripotentes, que son capaces de adquirir un fenotipo cardíaco bajo la influencia de señales cardioinducidas adecuadas. Estas células pluripotentes pueden ser células madre embrionarias humanas cuyo carácter alogénico plantea el problema del rechazo (independientemente de cualquier discusión ética) o células somáticas adultas autólogas inducidas a la pluripotencia al precio de una reprogramación poco eficaz y aún mal controlada por el posible origen de aberraciones genéticas y epigenéticas. La paradoja final es que la naturaleza autóloga de estas células las expone a un riesgo de rechazo ligado a la aparición, como resultado de la reprogramación, de antígenos posiblemente identificados como extraños por el sistema inmunitario del receptor. Es importante subrayar que, sea cual sea el origen de estas células pluripotentes, su uso clínico implica una etapa de prediferenciación in vitro, y luego una selección para utilizar únicamente progenitores cardiogénicos (que, según la técnica de prediferenciación, pueden estar en fases más o menos avanzadas de diferenciación cardíaca) y eliminar así cualquier «contaminación» por células que, habiendo escapado a esta prediferenciación, habrían conservado un carácter pluripotente y, por tanto, un potencial de proliferación tumoral tras el trasplante. Más recientemente, se ha propuesto una conversión directa de células adultas (fibroblastos) en cardiomiocitos, sin pasar de nuevo por la fase de células pluripotentes, gracias al uso de factores de crecimiento o genes; por muy interesante que sea en términos de comprensión de los mecanismos del desarrollo cardíaco, este enfoque todavía parece estar lejos de posibles aplicaciones clínicas; – Por último, la tercera estrategia, intermedia, consiste en utilizar una única población de células progenitoras en el estadio mesendodérmico que, en función de las señales del tejido huésped, puede completar su diferenciación in situ en los tres tipos celulares principales (cardiomiocitos, células endoteliales, células musculares lisas). Hay que señalar que estas señales cardiovasculares no son exclusivamente de naturaleza química; el estado físico de la matriz también desempeña un papel importante, una matriz flexible cuyo módulo de elasticidad simula el del tejido cardíaco embrionario estimula la diferenciación cardiogénica de las células en mayor medida que una matriz más rígida . Esta diferenciación también puede ser modulada por la adhesión a la matriz de motivos que estimulan la expresión de moléculas de adhesión celular y por su sensibilidad a las metaloproteasas . Además, aunque las proteínas constituyentes de la matriz extracelular están muy conservadas en todas las especies , queda por garantizar que el injerto de células humanas en un andamio derivado de animales sea un proceso funcionalmente perenne que no sea susceptible de ser alterado a largo plazo por respuestas inflamatorias o inmunológicas.

El segundo problema es el de la transferencia de las células al andamio que se supone que van a recolonizar. Aunque la perfusión de células con intención vascular parece lógica para reconstituir el endotelio, la inyección intramural de células con intención cardiogénica es menos evidente. En efecto, hemos aprendido de la terapia celular que la inyección, debido a la disociación proteolítica previa de las células que implica, las predispone a la muerte por apoptosis. Si este fenómeno ya representa una grave limitación cuando se trata de recolonizar una zona circunscrita del miocardio, como se propone hacer el trasplante celular, se vuelve aún más problemático cuando el objetivo pasa a ser el de la repoblación de todo el órgano. Una dificultad adicional es que esta repoblación no sólo tiene como objetivo proporcionar el contingente numérico de células necesario para la contracción del futuro corazón reconstituido; también debe permitir una alineación de estas células, tanto entre sí como en relación con su matriz de soporte, logrando una estructura anisotrópica, propiedad que caracteriza al corazón y condiciona en gran medida la eficacia de su función contráctil. El restablecimiento de una inervación fisiológicamente relevante y las modalidades de drenaje linfático siguen siendo otros problemas sin resolver. En general, el camino que queda por recorrer está ilustrado por los resultados del trabajo seminal de Ott y Taylor : Tras la inyección de 50-75 millones de cardiomiocitos neonatales, fibrocitos, células endoteliales y células musculares lisas mediante cinco inyecciones directas en la matriz de corazones de rata descelularizados, perfusión a través de la raíz aórtica de estos mismos corazones de veinte millones de células endoteliales aórticas y cultivo en un biorreactor (de 8 a 28 días), la tasa de recelularización por sección histológica es del 34% y, aunque la observación de las respuestas eléctricas y mecánicas a la estimulación proporciona una prueba de concepto, la fuerza contráctil generada es sólo del 2% de la de un corazón de rata adulto y del 25% de la de un feto humano de cuatro meses.

Perspectivas

La sustitución completa de un corazón humano por otro de matriz, de origen animal, y sembrado por células capaces de organizarse, estructural y funcionalmente, para dotarlo de una actividad mecánica eficiente, es por tanto una perspectiva aún incierta y en todo caso ciertamente lejana. Por otro lado, el desarrollo de esta tecnología, aunque no consiga el objetivo final, tiene importantes consecuencias en el campo de la ingeniería de tejidos. En efecto, el dominio de las técnicas de detersión y siembra ya ha permitido el desarrollo de biomateriales compuestos en dos indicaciones principales en cirugía cardíaca. La primera se refiere a la sustitución de una porción de miocardio. Se han establecido los beneficios de cerrar una pérdida de sustancia en el ventrículo derecho con una matriz extracelular sola (la recolonización se basa en el reclutamiento de células endógenas) o sembrada con células madre mesenquimales. La extensión previsible de este enfoque es el refuerzo intraoperatorio de una zona infartada con una matriz sembrada con células madre con potencial de diferenciación cardiomiogénica o la inyección directa por catéter del mismo tipo de matriz con el objetivo de restaurar la funcionalidad en la zona inicialmente acinética. Hasta la fecha, las matrices utilizadas se han derivado principalmente de la submucosa intestinal o de la vejiga de los cerdos, pero el reconocimiento de una especificidad tisular de la matriz extracelular se dirige ahora más hacia las matrices derivadas del propio corazón de estos animales.

La segunda indicación se refiere a las válvulas cardíacas. El objetivo es disponer de válvulas biológicas que probablemente, sobre todo en niños y adultos jóvenes, degeneren menos rápidamente que las bioprótesis actuales. El esquema general consiste en utilizar una matriz, biológica (alogénica o xenogénica) o polimérica, y sembrarla con células, miofibroblastos y luego células vasculares de diversos orígenes (médula sanguínea, cordón umbilical). Se han realizado indudables avances en la caracterización de los materiales adecuados y en las técnicas de siembra en biorreactores, pero a pesar de los numerosos y alentadores trabajos experimentales, la experiencia clínica con los tubos valvulados fabricados mediante esta técnica de ingeniería tisular sigue siendo hasta la fecha limitada y poco concluyente.

Conclusión

El corazón totalmente reconstruido a partir de una matriz y células autólogas como sustituto completo del trasplante es un objetivo lejano que aún plantea múltiples problemas técnicos y cuya relevancia y aplicabilidad clínica siguen siendo cuestionables hasta la fecha, especialmente si se producen avances significativos en los próximos años en el campo del corazón artificial totalmente implantable. Por otro lado, el uso de matrices recelularizadas para la sustitución parcial del miocardio, los grandes vasos o las válvulas, parece más realista y podría en un futuro próximo encontrar su lugar en el arsenal de biomateriales para la terapia cardíaca.

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