Prótesis de memoria y sangre polimérica: la economía de los órganos artificiales

 La bioprótesis con tacto y cartílago artificial de sus células ya es una realidad médica. Te contamos lo rentable que es sustituir los órganos de donantes por análogos cultivados e impresos y cómo se desarrollará este mercado

En diciembre de 2022, se lanzó un video sobre un útero artificial en la cuenta de YouTube del propagandista científico y fundador de EctoLife Hashem Al-Gaili. Aunque el proyecto está en desarrollo, el autor confía en que dicha incubadora puede resolver potencialmente el problema de la infertilidad. En úteros artificiales, se planea crecer hasta 30 mil bebés al mismo tiempo. Los creadores de la "granja de niños" ofrecen a los futuros padres editar de forma independiente el genoma, ajustar las características intelectuales y físicas del feto y rastrear todas las etapas de su desarrollo intrauterino a través de la aplicación.

A pesar de que la audiencia del canal era escéptica sobre los desarrollos eugenésicos de Al-Gaili, sus ideas no van más allá del marco de proyectos bastante factibles sobre concepción artificial. Según la biotecnóloga Irina Koryakina, "tanto la ectogénesis parcial como la completa (crecimiento del embrión y el feto en un entorno artificial) se convertirá en nuestra realidad en 10-15 años". En apoyo de esto, podemos recordar un estudio publicado en la revista Nature Communications. Sus autores durante un mes criaron corderos en un útero artificial. Los científicos asumieron que las pruebas con la participación de bebés prematuros comenzarán en tres a cinco años. Y aunque esto aún no ha sucedido, el desarrollo de órganos artificiales es una de las ramas más prometedoras de la medicina del futuro.

Por qué los órganos artificiales son una buena alternativa a la donación

El corazón, los riñones y los pulmones artificiales pueden reducir potencialmente la escasez de órganos adecuados para el trasplante. La larga espera de un órgano donado afecta directamente las tasas de mortalidad entre los pacientes que están en la lista de espera para un trasplantólogo. Y la introducción del uso rutinario de órganos artificiales puede cambiar esta situación. Para hacer esto, deben pasar todos los controles, ser seguros y relativamente baratos. Finalmente, los órganos artificiales necesitan el permiso y la aprobación de reguladores como la FDA (Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos) y la EMA (Agencia Europea de Medicamentos), que permiten la venta legal y gratuita de dispositivos médicos.

Los órganos artificiales pueden potencialmente tener un alcance de uso bastante amplio. Ya ahora se utilizan no solo como implantes, sino también para el estudio de medicamentos y cosméticos. Estas pruebas son éticamente neutrales y menos costosas que las pruebas en animales de laboratorio.

¿Cuáles son los órganos artificiales?

Los órganos artificiales reemplazan o mejoran la funcionalidad de la parte perdida del cuerpo humano. Pero actualmente, las capacidades de bioingeniería son limitadas, y los órganos artificiales no se utilizan con demasiada frecuencia para el trasplante en pacientes. Hasta ahora, los órganos relativamente simples, como la vejiga, los vasos sanguíneos o la córnea del ojo, son adecuados para los trasplantes. Y los órganos de múltiples capas e intrincadamente organizados, como los riñones y el estómago, en los que cada tejido tiene sus propias funciones, son mucho más difíciles de reproducir mediante métodos de ingeniería de tejidos.

Los órganos artificiales modernos incluyen:

órganos en un chip;
Modelos 3D;
órganos trasplantados en la etapa inicial de desarrollo;
órganos cultivados en una matriz bio y polimérica;
Prótesis.

Las prótesis, a su vez, se dividen en:

Las endoprótesis son dispositivos funcionales que se implantan en el cuerpo;

exoprótesis: productos que se fijan desde el exterior y realizan las tareas del órgano perdido;
Las ectoprostesis son prótesis cosméticas sin carga funcional, que también se fijan desde el exterior.

Prótesis neurales

Las prótesis neurales son endoprótesis que se utilizan para rehabilitar a pacientes con pérdida de funciones motoras y sensoriales. El audífono es una de las prótesis neuronales más comunes en la actualidad. Restaura las funciones del tímpano y el estribo, devolviendo la audición a una persona.

Las neuroprótesis comienzan a usarse para tratar la epilepsia. La compañía californiana Neuropace ha lanzado un neuroestimulador de respuestas (Responsive Neurostimulato, RNS). Se realizaron ensayos de neuropace en cientos de pacientes que sufrían de epilepsia, y el efecto positivo del dispositivo se registró en el 50% de los casos de uso de un neuroestimulador.

Y en 2011, Theodore Berger de la Universidad del Sur de California inventó el primer implante de memoria. Berger probó el dispositivo en ratas. Los animales experimentales tuvieron que presionar alternativamente dos palancas. Después de bloquear farmacológicamente los propios impulsos cerebrales de los roedores y enviar los mismos impulsos con la ayuda de dispositivos, los animales pudieron "recordar", es decir, reproducir la secuencia de prensas de palanca. Berger y su equipo afirman que el uso de esta tecnología ayudará a mejorar la memoria en personas después de un accidente cerebrovascular y pacientes con enfermedad de Alzheimer.

Prótesis biónicas

Las manos protésicas biónicas pertenecen a las exoprótesis. Con su ayuda, los pacientes son compensados casi por completo por la función perdida de la mano. Y algunos de los últimos dispositivos de este tipo incluso permiten a una persona tocar objetos. Uno de los proyectos de una prótesis biónica con tal función es el resultado del trabajo conjunto de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los Estados Unidos (DARPA) y el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad Johns Hopkins. El efecto del tacto se logra en una prótesis biónica de este tipo debido a los electrodos incrustados en la corteza sensorial y motora del cerebro. Los sensores de la prótesis reaccionan cuando el producto experimenta presión y, transformando esta fuerza en señales eléctricas, las envían al cerebro del paciente.

Alexander Sushkov, Candidato de Ciencias Médicas, médico investigador, experto de Rustransplant:

"Ahora es muy posible trasplantar las extremidades superiores de donantes póstumos. Sin embargo, la experiencia mundial es mínima y se limita a observaciones individuales. Tales trasplantes requieren un régimen bastante intensivo de terapia inmunosupresora. Además, la restauración de la actividad funcional y las habilidades motoras finas ocurre con un cierto déficit. Por lo tanto, las prótesis biónicas parecen ser la mejor manera de reemplazar las extremidades perdidas. Me gustaría esperar que en los próximos años esto se convierta en el estándar de atención para los pacientes necesitados".

Andrey Davidyuk, CEO de la compañía para la producción de brazos protésicos funcionales robóticos "Motorica", afirma que la tendencia principal en la industria es la transición de prótesis cosméticas a biónicas funcionales.

Las prótesis biónicas se dividen en dos tipos:

agarre único, donde hay un gesto para apretar / aflojar el cepillo;
donde, además del gesto básico de apretar / aflojar la mano, la prótesis puede mostrar movimientos preprogramables que se cambian utilizando una aplicación de teléfono inteligente.

Tanto en Rusia como en el mundo, la biónica multi-grip es la más demandada, es la más funcional. Sin embargo, dice el experto, la biónica de un solo agarre también es popular: "Por ejemplo, para las personas que están acostumbradas a hacer todo en la vida cotidiana con una mano, un gesto de agarre suficiente. La biónica con una sola mano también es buena para los adultos mayores que no quieren programar gestos en un teléfono inteligente. Otra ventaja de las prótesis de una sola mano: menos elementos móviles, menos posibilidades de rotura y mayor autonomía".

Según Davidyuk, los precios de las prótesis biónicas comienzan desde ₽ 500 mil (antebrazo de un dedo) y terminan en algún lugar alrededor de ₽ 8 millones (antebrazo de un dedo o de varios dedos con codo). El costo depende del nivel de lesión y sus características individuales, así como de la complejidad del diseño. En Rusia, el sistema de suministro de prótesis funciona bien. El estado paga a los ciudadanos tanto los modelos más simples como la biónica costosa por varios millones de rublos. Por lo tanto, los usuarios rara vez compran prótesis a su propio costo.

Los fabricantes de prótesis biónicas están ampliando constantemente las capacidades y la funcionalidad de sus productos. Hay, por ejemplo, dispositivos con un sistema PayPass incorporado y un módulo wi-fi.

Órgano en un chip

Los órganos en un chip son pequeñas plaquetas con células que están pobladas por células. Estos pueden ser cualquier célula: el hígado, el pulmón o el estómago. Las células están conectadas por canales que imitan la circulación sanguínea y el intercambio de fluido tisular, es decir, crean condiciones cercanas al entorno interno de la vida. Tales sistemas exteriormente no parecen un órgano real, pero pueden reproducir hasta cierto punto su estructura y funciones específicas. Es un "campo de pruebas" conveniente y éticamente neutral para estudios preclínicos de medicamentos, equipos médicos y enfermedades. En un chip, puede trasplantar células de diferentes órganos (por ejemplo, hígado y riñones) y estudiar su interacción, la propagación de la infección de un órgano a otro, la progresión de los tumores y mucho más.

El primer órgano en un chip se creó en 2010. Ahora, tales dispositivos pueden reproducir el trabajo del riñón, el hígado, los intestinos e incluso la barrera hematoencefálica (BBB).

La barrera hematoencefálica sirve como una barrera protectora contra la penetración de microorganismos, toxinas y ciertos medicamentos en el cerebro. La creación de un GAB artificial permite estudiar el grado de fuga del fármaco prototipo directamente en el sistema nervioso central en la etapa de estudios preclínicos.

Impresión 3D

Las bioimpresoras 3D modernas pueden imprimir células de un organismo vivo y una matriz extracelular, un aglutinante que proporciona soporte mecánico y transferencia de productos químicos de una célula a otra. Los órganos tridimensionales, a diferencia de los órganos en chips, se obtienen en una forma predeterminada y se pueden "ajustar" a los parámetros individuales del receptor. Para evitar el rechazo del tejido, se crean órganos tridimensionales basados en las células del paciente.

Primero, un modelo tridimensional completo de la macro y microestructura del órgano se construye en la computadora. Luego se seleccionan las células madre, que en el futuro se convertirán en células de cierto tipo: músculos, piel, uretra, etc. En total, las células humanas pueden especializarse en unos 230 tipos. Las partículas pueblan el cartucho de la impresora y se mantienen allí en un hidrogel que imita las funciones de la biomatriz. En el proceso de impresión, las células se transfieren del cartucho al sustrato, un análogo del "papel", y se conectan bajo la acción de las fuerzas de tensión superficial en una forma de computadora determinada.

La impresión 3D de órganos hoy en día se considera una de las tecnologías más prometedoras para crear órganos artificiales. En junio de 2020, investigadores de la Universidad de Sichuan imprimieron un modelo 3D del oído humano justo debajo de la piel de un ratón. El experimento con un roedor, según los autores, abre perspectivas lejanas para el desarrollo del cultivo no invasivo de un órgano 3D directamente en el portador, evitando el procedimiento de trasplante.

Órganos en el marco

Los órganos no solo se pueden imprimir en una impresora, sino que también se pueden cultivar en un polímero o marco biológico. En el primer caso, los bioingenieros crean un marco a partir de un polímero biodegradable, introducen células en él, que gradualmente llenan todo el espacio. En el segundo, sucede aproximadamente lo mismo, solo se utilizan como matriz conchas de órganos de donantes de personas y animales de experimentación: se limpian de sus propias células y se alinean con las células del receptor. Esta tecnología se utiliza cuando el karsak del futuro órgano tiene una estructura o composición compleja.

Tanto en el primer como en el segundo caso, la colonización celular es un procedimiento bastante lento que solo es posible en condiciones que imitan al máximo el entorno interno del cuerpo. Tales condiciones ahora se mantienen con la ayuda de un biorreactor. Sin embargo, el primer experimento sobre la tecnología de crear un órgano en un biomarco se realizó directamente en un animal de prueba que sirvió como incubadora. En la década de 1990, un grupo de científicos dirigido por Joseph Wakanti, Linda Griffith y Joseph Upton utilizó un ratón vivo como medio para hacer crecer una oreja. El esqueleto en forma de oreja humana consistía en poliéster degradante, y la base celular eran las células del cartílago de la pantorrilla. Cuando el marco se desintegró, una oreja era claramente visible en la parte posterior del ratón, parecida a una humana en forma. Las fotos de este ratón volaron alrededor del mundo y causaron una ráfaga de críticas contra los científicos.

Una forma alternativa de crear órganos es reproducir en el laboratorio las etapas iniciales de desarrollo de un organismo vivo: embriones (embriones que no se desarrollan a partir de células sexuales, sino de células somáticas). Por supuesto, recrear todas las etapas del desarrollo del órgano en el entorno artificial no es una tarea fácil y no está muy justificada: las condiciones del entorno en el que crecerá el órgano futuro tendrán que cambiarse constantemente. Otra cosa es trasplantar un cuerpo tan embrionario al paciente y luego observar su desarrollo en el entorno interno del cuerpo. Por primera vez, un grupo de científicos japoneses implementó un proyecto de este tipo en 2013. Cultivaron muestras de hígado rudimentarias en una placa de Petri y las trasplantaron con éxito en ratones experimentales.

Perspectivas para el mercado de órganos artificiales

Para 2030, el mercado de implantes biónicos y órganos artificiales alcanzará los $ 22.17 mil millones después de crecer en un promedio de 7.90% durante el período 2022-2030. El crecimiento dinámico del mercado estará garantizado por la creciente demanda de órganos artificiales y prótesis biónicas. Entre todos los órganos donados, el más popular en el futuro cercano será un corazón artificial, según Emergen Research. La demanda de este dispositivo crecerá un 8,7% anual.

Aleksandr Sushkov puede referirse a:

"A pesar de los avances significativos en el desarrollo de dispositivos de asistencia circulatoria, estos dispositivos, que a veces se denominan "corazón artificial", todavía se consideran una medida temporal que permite restaurar la función del propio corazón del paciente o esperar un órgano donado. Por supuesto, la ciencia y la tecnología no se detienen, pero los pacientes con enfermedades graves e irreversibles de los órganos internos necesitan tratamiento en este momento. Por lo tanto, el desarrollo de programas póstumos de donación y trasplante de órganos es una tarea extremadamente importante para la medicina en este momento".

La creciente popularidad de los órganos artificiales en el futuro se deberá al hecho de que estos últimos tienen una serie de ventajas. Se arraigan mejor en el orgasmo, tienen menos probabilidades de causar rechazo que los órganos de donantes y se pueden producir en grandes cantidades. Los principales factores en la expansión de este mercado son la introducción de nuevas tecnologías, el rechazo de órganos de donantes debido a enfermedades relacionadas con la edad en los huéspedes, un aumento en el número de accidentes y lesiones que requieren trasplantes inmediatos. Al mismo tiempo, es necesario tener en cuenta los factores limitantes para el mercado. Esta es la restricción impuesta por los reguladores médicos en el uso legal de los productos, así como la falta de habilidades para trabajar con dichos organismos entre los especialistas y el alto costo del desarrollo.

Principales actores del mercado

Los actores clave en el mercado en los próximos diez años, según la plataforma internacional para la venta de órganos artificiales Emergen, serán Cochlear Ltd, Zimmer Biomet, Ekso Bionics, Boston Scientific Corporation, Abiomed Inc., Berlin Heart GmbH, Medtronic, Nipro Corporation y otros. En cuanto a los desarrollos nacionales, aquí empresas como Motorica (desarrolla prótesis de tracción y biónicas de manos para adultos y niños), MaxBionic, Orto-Cosmos (el primer fabricante ruso de prótesis para deportes) y otras pasan a primer plano.

Aleksandr Sushkov puede referirse a:

"Debe reconocerse que la gran mayoría de los dispositivos y consumibles que ahora se utilizan en el trasplante de órganos son de producción extranjera. Sin embargo, también hay productos nacionales. Por ejemplo, el aparato portátil de circulación sanguínea auxiliar AVK-N. El dispositivo permite prótesis de la función del ventrículo izquierdo del corazón. Es importante que el desarrollo ya haya llegado a los pacientes. Hasta donde yo sé, el trabajo continúa para mejorar el dispositivo y crear una versión más pequeña para la práctica pediátrica. Esto es algo muy bueno e importante.

También recientemente, se creó una máquina doméstica para preservar el hígado del donante. Al igual que el bypass ventricular izquierdo, es un dispositivo médico verdaderamente de alta tecnología. Mientras que este dispositivo está pasando por varias etapas de los procedimientos de registro. Muchos especialistas en nuestro país están esperando que esté disponible para su uso. Tales máquinas son útiles no solo para la práctica clínica, sino que también se pueden usar para llevar a cabo una amplia gama de investigaciones fundamentales y aplicadas".

Hoy en día, el desarrollo a gran escala de corazón artificial, hígado, pulmones, uretra y muchos otros órganos se lleva a cabo en laboratorios de todo el mundo. Sin embargo, la ciencia todavía tiene muchos obstáculos que superar antes de que estos órganos artificiales se conviertan en parte de la rutina médica. Y a pesar del hecho de que los científicos están probando activamente nuevas formas de obtener órganos, el número de proyectos que "sobreviven" a los ensayos clínicos y pueden ser utilizados para trasplantes en este momento sigue siendo muy pequeño.

Los mejores resultados se mostraron mediante pruebas utilizando una matriz artificial, que es colonizada por las células del paciente, creando el órgano deseado "desde cero". Uno de los casos más exitosos es el cuero artificial de Celaderm, Alloderm y Dermagraft. No es una réplica exacta de la piel real. El desarrollo se basa en una matriz polimérica, que es colonizada por las células del paciente, transformándose en un órgano futuro. El dispositivo cubre bien defectos de la piel no muy grandes, y también es adecuado para probar cosméticos. L'Oreal ya está comprando telas impresas en una impresora 3D para reducir el número de pruebas con animales. La compañía también posee una patente para cuero artificial de Episkin. En el corazón de tal epidermis se encuentran las células de pacientes que se han sometido a una cirugía de injerto de piel.

El innovador proyecto ahora está siendo implementado por Techshot, trabajando con la NASA. Los científicos de Techshot están probando órganos de impresión 3D en el espacio exterior. Esto se debe al hecho de que los órganos impresos se desarrollan mejor en condiciones de ingravidez.

El foco de atención de los científicos está dirigido no solo a crear órganos de alta calidad, sino también a reducir el costo del procedimiento para su producción. Los empleados del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Vanderbilt (EE.UU.) utilizaron como bioimpresora de capilares artificiales una máquina para hacer algodón de azúcar por valor de $ 40 de Target. Dado que la máquina produce filamentos con un diámetro de aproximadamente 0,1 cabello humano, los investigadores de Vanderbilt pudieron usar este análogo barato de la impresora para crear vasos sanguíneos artificiales.

Uno de los últimos desarrollos, que aún no ha alcanzado la etapa de ensayos clínicos, es un nuevo tipo de glóbulos rojos artificiales. Son 5 veces más pequeños que las células sanguíneas y están hechos de proteínas de hemoglobina purificadas recubiertas con un polímero sintético. Detrás del desarrollo de glóbulos rojos artificiales está un empleado de la Facultad de Medicina de la Universidad de Maryland, el profesor Allan Doctor. "Los transportadores de oxígeno biosintéticos todavía están en desarrollo preclínico avanzado debido a la complejidad de imitar las células sanguíneas humanas. Esto es un camino bastante largo y tal vez pasen diez años antes de que podamos decir sobre la efectividad confirmada de esta invención ", señala el Doctor.

Sin embargo, el autor del estudio considera que los glóbulos rojos artificiales son un desarrollo extremadamente prometedor y afirma que tales eritrocitos serán utilizados por personas con cualquier tipo de sangre, ya que el recubrimiento polimérico de la sangre artificial puede considerarse universal e "inmunemente neutro". Finalmente, los glóbulos rojos artificiales en el futuro pueden ayudar a mantener vivos los órganos del donante en el camino hacia el receptor, así como almacenados en hospitales en reserva para su uso en operaciones complejas.