Utilitzem cookies per oferir a les nostres visites una experiència transparent i còmoda a l'hora de navegar per la nostra web. Si continues navegant, considerem que acceptes la seva utilització. Pots canviar la configuració i obtenir més informació. Més información
Reportatges
Bioenginyeria: la professió del futur

Bioenginyeria: la professió del futur

L’ésser humà fa ús, cada vegada més, de les tecnologies que desenvolupa per millorar la seva qualitat de vida i l’esperança de vida. Aquest increment de l’esperança de vida ha comportat un augment de malalties que fins fa només unes dècades no eren comunes o bé eren totalment desconegudes. Alguns exemples clars són el càncer, les malalties degeneratives com el Parkinson o l’Alzheimer, l’osteoporosi o l’artrosi. D’altra banda, patim accidentalment lesions irreversibles, com ara cremades, traumatismes o mutilacions. Però, fins a quin punt podem arribar a refer o regenerar el que hem perdut?

 

A diferència d’organismes menys evolucionats, la nostra naturalesa no és capaç de regenerar completament una extremitat un cop ha estat extirpada. No obstant això, sí que és capaç de regenerar, en part, de manera natural certs teixits que han estat danyats. El fetge o el teixit ossi, per exemple, tenen una capacitat de regeneració elevada després de patir un dany. Però aquesta capacitat només és possible quan la quantitat de massa que ha de regenerar és limitada. En cas contrari, cal recórrer a la implantació d’un empelt, que pot ser d’origen natural o sintètic.

 

Els empelts d’origen natural —que provenen del mateix pacient, d’un altre ésser humà o d’una altra espècie— tenen una capacitat regeneradora excel·lent, però també tenen problemes associats, com ara quantitats molt limitades, possible transmissió de malalties o qüestions eticoculturals. És per això que hi ha una gran necessitat de desenvolupar materials sintètics que es puguin implantar al cos i que estimulin la regeneració d’un teixit. Al seu torn, els biomaterials —aquests materials sintètics— es poden combinar amb cèl·lules extretes del pacient, diferents del tipus de teixit que es vol regenerar. A més, aquestes cèl·lules es poden combinar amb factors de creixement o molècules alliberades del biomaterial, de manera que es millori la regeneració. Aquesta enginyeria es coneix com a enginyeria de teixits.

 

L’enginyeria de teixits

 

Tot i que és una disciplina que va començar fa només un parell de dècades, els experts d’aquest camp han estat capaços de fabricar biomaterials amb diferents materials d’origen natural (col·lagen, àcid hialurònic o quitosan), sintètic (polímers, ceràmics o metalls) o les seves combinacions amb diverses formes per ajustar-se al màxim al teixit que es pretén regenerar. Per a això s’han dissenyat biomaterials amb paràmetres semblants als del teixit que cal regenerar, com ara la porositat, la càrrega electrostàtica, les propietats mecàniques o la composició química, i es produeixen biomaterials altament biomimètics. A més, aquests biomaterials es poden millorar amb parts actives de proteïnes mitjançant l’enginyeria amb la qual els científics han estat capaços de dissenyar capritxosament proteïnes que combinen les accions terapèutiques de diverses proteïnes en una única proteïna.

 

No obstant això, perquè aquestes tecnologies siguin el futur de la medicina, cal que siguin específiques per a cada pacient: cal fabricar biomaterials fets a mida perquè encaixin perfectament en el defecte que es vulgui regenerar. En aquest sentit, les tecnologies d’impressió tridimensional són el futur de la medicina regenerativa personalitzada. L’elecció dels materials adequats que siguin capaços de ser impresos i que continguin els estímuls necessaris per regenerar els teixits es considera el futur imminent de la tecnologia. Lligat a això, la possibilitat d’imprimir cèl·lules amb una combinació d’aquests biomaterials revolucionarà la medicina personalitzada. De fet, avui ja és possible imprimir, en qüestió d’hores, òrgans completament funcionals, amb mides idèntiques a les del pacient i amb baixes probabilitats de rebuig pel fet que estan compostos per biomaterials biocompatibles i cèl·lules del pacient.

 

Mimetitzant la biomecànica humana

 

Malauradament, hi ha casos en què els danys no es poden reparar mitjançant la incorporació d’un material que estimuli la regeneració del teixit, per la qual cosa és necessària la col·locació d’un dispositiu que permeti la substitució mecànica del teixit danyat.

 

Per exemple, l’estructura òssia s’afebleix en persones grans que pateixen osteoporosi, la qual cosa produeix fractures òssies. Una fractura molt comuna és el trencament del cap del fèmur en la inserció al maluc. L’única solució viable és fer una cirurgia per remoure el cap femoral i col·locar-hi una pròtesi de maluc, la qual està formada per una tija metàl·lica que s’insereix en una semiesfera i mimetitza la rotació del fèmur al maluc. Actualment, les pròtesis de maluc tenen una vida mitjana en el pacient d’entre 10 i 15 anys, la qual cosa és majorment a causa del que es coneix com a apantallament de tensions. Aquest fenomen es deu al fet que la rigidesa de la tija de la pròtesi és molt superior a la rigidesa de l’os, i això fa que en caminar tota la càrrega recaigui sobre la pròtesi. El teixit ossi es regula en funció de les càrregues mecàniques que rep i, en absència de càrregues mecàniques, es reabsorbeix. Això vol dir que el fèmur gairebé no té càrrega mecànica i, per tant, la massa òssia de l’os disminueix amb el temps. Aquesta reabsorció provoca el debilitament de les pròtesis i, per això, en limita la vida mitjana. A més, la tija ha de ser d’un material biocompatible, resistent a la corrosió i que eviti una inflamació excessiva del teixit circumdant un cop implantada.

 

La bioenginyeria pretén resoldre aquest problema fent que les tensions que suporta la tija siguin iguals que les que suporta l’os. Per a això, el coneixement sobre els aliatges metàl·lics i, en concret, sobre els aliatges de baix mòdul elàstic és fonamental per resoldre aquest problema. A més, es pretén que aquestes pròtesis funcionin amb seqüències pèptides (fragments de proteïnes) que estimulin l’adhesió cel·lular i evitin una inflamació excessiva. En resum, el seu objectiu principal és proporcionar un suport mecànic que substitueixi l’os.   No obstant això, les pròtesis de maluc no són l’únic exemple de pròtesis que tenen una funció merament de suport mecànic, sinó que caldria incloure-hi els stents cardiovasculars, les pròtesis de genoll o les vàlvules sanguínies. Una millora d’aquests sistemes es basa en les cames i els braços articulats, que són una mica més complexos i una barreja d’enginyeria de materials i robòtica. En aquest cas, els sistemes electrònics uneixen les extremitats i les connecten amb parts funcionals de l’organisme per obtenir una resposta al moviment completament voluntària.

 

La dentadura: la zona més exposada

 

Existeixen unes pròtesis anatòmiques que poden millorar el funcionament i l’estabilitat del cos humà i, concretament, els diversos problemes que podem tenir amb la nostra dentadura, que a més d’estar en una de les zones més exposades al medi exterior, als bacteris i les infeccions conseqüents, està formada per un conjunt de dents que pateixen un estrès mecànic molt elevat al llarg de la seva vida.

 

Com actua aquí la bioenginyeria? Quan les dents presenten problemes greus es poden reemplaçar per implants dentals, que tenen la funció principal de servir com a suport mecànic per a la peça dental que s’ha perdut. Aquest implant té forma de cargol i s’integra a l’os de la mandíbula, que és on es cargola. És el que es coneix com a osteointegració, en la qual l’implant forma enllaços covalents i permet el creixement de l’os al seu voltant. Si no hi hagués aquesta bona osteointegració, l’implant es mouria i s’acabaria perdent. Els implants generalment són de titani, tot i que les noves tecnologies avancen cap a implants d’aliatges amb unes propietats mecàniques inferiors per evitar l’apantallament de tensions. No obstant això, a part de trobar implants que suportin càrregues mecàniques de manera més eficient, se n’ha d’optimitzar el disseny per evitar concentrar les tensions en determinades zones, ja que això comportaria reabsorcions òssies de manera similar o fractures indesitjades.

 

El perill més gran que s’ha de tenir en compte és que la reabsorció de massa òssia implica l’aparició d’espais que poden ser fàcilment colonitzats pels bacteris presents a la cavitat bucal. Aquests bacteris poden tenir conseqüències greus, com provocar una inflamació dels teixits tous i de l’os i fins i tot fer oscil·lar l’implant i que aquest acabi caient: és el que es coneix com a periimplantitis.   En aquest cas concret, la bioenginyeria busca desenvolupar implants dentals que cedeixin la càrrega masticatòria a l’os i la distribueixin de manera homogènia. D’altra banda, continua buscant nous dissenys d’implants que presentin senyals en la superfície que estimulin l’adhesió de les cèl·lules presents en l’os i que guiïn aquestes cèl·lules cap a fenotips osteogènics. Per a això, l’ús de proteïnes, o els dominis actius d’aquestes, poden ser de gran importància en el disseny futur d’implants dentals.

 

 

El futur

 

En combinació amb aquesta tecnologia és imprescindible explorar la fabricació d’implants amb propietats antibacterianes que permetin recuperar el segellat biològic, la qual cosa es pot millorar mitjançant les propietats texturals de l’implant o amb recobriments funcionals que incrementin l’adhesió de les cèl·lules dels teixits tous i evitin la formació de la placa bacteriana.

 

En conclusió, la bioenginyeria té un ampli camí per recórrer, al llarg del qual es millorarà dia a dia la vida dels pacients i es reduiran els costos associats a les cirurgies. S’aconseguiran sistemes mínimament invasius per regenerar teixits que evitaran els riscos associats a les cirurgies, així com també es dissenyaran pròtesis de llarga vida mitjana i perfectament adaptades a cada pacient. És per això que hem de formar els bioenginyers del futur d’una manera multidisciplinària per poder entendre les interaccions dels diferents camps de la biologia, la química, la ciència dels materials, la medicina o l’odontologia. Visionem la bioenginyeria com la professió de futur que més impacte tindrà en la nostra societat.

 

* Autors: Román Pérez i Luis María Delgado, professors del Grau en Bioenginyeria (UIC Barcelona).