REVISTA ARGENTINA DE CIRUGÍA CARDIOVASCULAR
Vol. III - N° 3 / Setiembre - Octubre - Noviembre 2005

ARTÍCULO DE REVISIÓN
MIOCARDIO BIOARTIFICIAL Y TRASPLANTE CELULAR PARA ASISTIR Y REGENERAR EL MIOCARDIO ISQUÉMICO

Autor
Juan Carlos Chachques*


Recibido:               14.07.2005
Aceptado:              11.08.2005
Correspondencia:   Servicio de Cirugía Cardiovascular
                            Hospital Europeo Georges Pompidou
                            20 rue Leblanc - 75015 Paris, Francia
                            E-mail: j.chachques@brs.ap-hop-paris.fr

* MD, PhD.

RESUMEN

   El miocardio adulto es incapaz de reparar en forma efectiva su lesión después de un infarto debido a la escasez de células progenitoras. Por esta razón, han sido diseñadas estrategias de trasplante celular con el propósito de regenerar el miocardio, implantando células exógenas cardiomiogénicas que puedan realizar el trabajo cardíaco y/o implantando progenitores endoteliales para recuperar mediante angiogénesis zonas parcialmente isquémicas o hibernantes. La cardiomioplastia celular puede utilizar diferentes tipos de células. Clínicamente han sido usados mioblastos autólogos (células madre extraídas de músculos estriados), células madre derivadas de la médula ósea y células madre circulantes en sangre. Investigaciones actuales permiten suponer un futuro promisorio para las células mesenquimales de la médula ósea (células multipotentes derivadas del estroma medular) y para las células totipotentes embrionarias. Como complemento de las técnicas de regeneración nuestro grupo está desarrollando un miocardio bioartificial. Después de un infarto de miocardio, el colágeno tipo I de la matriz extracelular se reduce a la mitad y el colágeno tipo III aumenta considerablemente, creando fibrosis y remodelamiento ventricular patológicos. Nuestro objetivo es incorporar una matriz biodegradable y tridimensional de colágeno tipo I con células madre autólogas en su interior, para tratar de restablecer una proporción fisiológica entre los colágenos y reforzar la zona patológica. Después de haberse realizado diversos estudios experimentales, un estudio clínico multicéntrico ha sido iniciado para evaluar este nuevo procedimiento: MAGNUM Clinical Trial (Myocardial Assistance by Grafting a New Upgraded bioartificial Myocardium).
    (Rev Arg Cir Cardiovasc 2005; 3:152-158)

Palabras clave
Insuficiencia cardíaca - Infarto de miocardio - Medicina regenerativa - Bioasistencia cardíaca - Cardiomioplastia celular - Miocardio bioartificial - Ingeniería tisular

RESUMO

MIOCÁRDIO BIOARTIFICIAL E TRANSPLANTE CELULAR PARA ASSISTIR E REGENERAR O MIOCÁRDIO ISQUÊMICO

   O miocárdio adulto é incapaz de reparar em forma efetiva sua lesão depois de um infarto devido à escassez de células progenitoras. Por essa razão, foram desenhadas estratégias de transplante celular com o propósito de regenerar o miocárdio, implantando células exógenas cardiomiogênicas que possam efetuar o trabalho cardíaco e/ou implantando progenitores endoteliais para recuperar através de angiogênese zonas parcialmente isquêmicas o hibernantes. A cardiomioplastia celular pode utilizar diferentes tipos de células. Clinicamente tem sido usados mioblastos autólogos (células-mãe extraídas de músculos estriados), células-mãe derivadas da medula óssea e células-mãe circulantes no sangue. Investigações atuais permitem supor um futuro promissório para as células mesenquimais da medula óssea (células multipotentes derivadas do estroma medular) e para as células totipotentes embrionárias. Como complemento das técnicas de regeneração nosso grupo está desenvolvendo um miocárdio bioartificial. Depois de um infarto de miocárdio, o colágeno tipo I da matriz extracelular se reduz à metade e o colágeno tipo III aumenta consideravelmente, criando fibrose e remodelamento ventricular patológicos. Nosso objetivo é incorporar uma matriz biodegradável e tridimensional de colágeno tipo I com células-mãe autólogas em seu interior, para tentar restabelecer uma proporção fisiológica entre os colágenos e reforçar a zona patológica. Depois de terem se realizado diversos estudos experimentais, um estudo clínico multicêntrico foi iniciado para avaliar este novo procedimento: MAGNUM Clinical Trial (Myocardial Assistance by Grafting a New Upgraded bioartificial Myocardium).
   (Rev Arg Cir Cardiovasc 2005; 3:152-158)

Palavras-chave
Insuficiência cardíaca - Infarto de miocárdio - Medicina regenerativa - Bio-assistência cardíaca - Cardiomioplastia celular - Miocárdio bioartificial - Engenharia tisular

SUMMARY

BIOARTIFICIAL MYOCARDIUM AND CELL TRASPLANTING FOR ASSISTANCE AND REGENERATION OF ISCHEMIC MYOCARDIUM

   Adult myocardium is unable to effectively repair its injury after infarction due to the scarsity of mother cells. That is why trasplanting strategies have been designed aiming to regenerate myocardium, through the implanting of cardiomyogenic exogenous cells to carry out the cardiac work and/or implanting endotelial progenitor cells in order to recover partially ischemic or hibernating zones through angiogenesis. Cellular cardiomyoplasty may use different cell types. Autologus myoblasts have been clinically used (mother cells extracted from striate muscles), mother cells derived from bone marrow and mother cells in flowing blood. Present researchs allow foreseeing a promising future for bone marrow mesenchimal cells (pluripotent cells derived from bone marrow stroma) and for embryo totipotent cells. As a complement to the regeneration techniques, our group is developing a bioartificial myocardium. After a myocardium infarction, the type I colagen of the extracellular matrix diminishes by half while type III colagen increases considerably, creating fibrosis and pathological ventricular remodelling. Our goal is incorporating a biodegradable and thridimensional matrix of type I colagen with inner autologus mother cells in an attempt for restablishing a physiological balance between both colagens and reinforcing the pathological zone. After several experimental studies were carried out, a multicenter clinical study has been initiated in order to evaluate this new procedure: MAGNUM Clinical Trial (Myocardial Assistance by Grafting a New Upgraded bioartificial Myocardium).
   (Rev Arg Cir Cardiovasc 2005; 3:152-158)

Key words
Cardiac insufficiency - Myocardial infarction - Regenerative medicinea - Cardiac bioassistence - Cellular cardiomyoplasty - Bioartificial myocardium - Tissue engeneering

INTRODUCCIÓN

   La medicina regenerativa ha comenzado a desarrollarse gracias a las recientes innovaciones en el dominio de la biología celular (aplicación de células madre multipotentes) y a otras disciplinas como la ingeniería de tejidos, bioquímica, biofísica, genética y biología molecular. El objetivo de las técnicas de regeneración es el restablecimiento de la estructura y función de tejidos lesionados; la finalidad principal es evitar el trasplante de órganos.
   En el dominio de la cardiología estas técnicas se han integrado dentro de la subespecialidad bioasistencia cardíaca (1). Los procedimientos de bioasistencia cardíaca contribuyen a la lucha emprendida contra la insuficiencia cardíaca rebelde, que persiste cuando los tratamientos médicos y quirúrgicos han agotado sus efectos. El objetivo del trasplante de células progenitoras indiferenciadas en el miocardio patológico es el de regenerar las células cardíacas y su matriz extracelular, a través de mecanismos de angiogénesis y miogénesis.

Prevalencia de la insuficiencia cardíaca

   La insuficiencia cardíaca representa un problema mayor de Salud Pública. Su incidencia está aumentando a causa del progresivo envejecimiento de la población y del incremento de la supervivencia después de un infarto de miocardio. La insuficiencia cardíaca es el resultado de la pérdida de cardiomiocitos y de matriz extracelular en la zona infartada y del efecto del remodelamiento tardío y progresivo del ventrículo izquierdo.
   No obstante los progresos realizados en la prevención de los factores de riesgo modificables (tabaquismo y control del colesterol, de la hipertensión y de la diabetes) y en los tratamientos convencionales (terapia farmacológica y quirúrgica), algunas formas de insuficiencia cardíaca son resistentes a estas terapias y requieren estrategias alternativas. Actualmente, el transplante cardíaco representa la mejor opción terapéutica para los pacientes con insuficiencia cardíaca en los estadios finales. Pero la posibilidad de recurrir a este tratamiento está muy limitada por la escasez de donantes de órganos. Los dispositivos de asistencia mecánica ventricular pueden proveer una alternativa válida para estos pacientes, pero sólo de modo provisorio; además, el costo es prohibitivo para gran parte de la población.
   La insuficiencia cardíaca presenta altas tasas de incidencia y prevalencia en el mundo occidental. En un estudio prospectivo a 10 años realizado en Europa y publicado recientemente en el European Heart Journal (2) se demostró que aproximadamente el 33% de los hombres y el 29% de las mujeres mayores de 55 años podrían presentar esta entidad, con una sobrevida a los 5 años del 35%. Su prevención resulta fundamental.
   Estudios epidemiológicos sobre la enfermedad de Chagas han mostrado que en América Latina entre 16 y 18 millones de personas están infectadas por el Tripanosoma cruzi. Probablemente, esa cifra sería mayor si se realizaran investigaciones epidemiológicas más profundas.
   En Argentina, 2.3 millones de personas presentan diagnóstico positivo de enfermedad de Chagas; se constató que 400 mil sufrían cardiopatías.
   Las migraciones de poblaciones hacia Estados Unidos, Europa y Asia han transmitido esa enfermedad a otros continentes.

Biología y medicina regenerativas

   Uno de los mayores desafíos para la investigación biomédica del siglo XXI radica en desarrollar estrategias terapéuticas tendientes a reemplazar o reparar las células o tejidos patológicos o destruidos por enfermedades que puedan comprometer a corto plazo la vida de los pacientes o llevarlos hacia condiciones de incapacidad grave. Entre esas enfermedades pueden incluirse las patologías neurodegenerativas (Parkinson, Alzheimer, corea de Huntington, lesiones de médula espinal), insuficiencia hepática, diabetes, enfermedades musculares (miopatía de Duchenne), isquemia crítica de miembros inferiores y cardiomiopatías graves (cardiopatías isquémicas y no isquémicas, enfermedad de Chagas) (3-4).
   La elección del tipo de células para aplicación cardiológica estará basada en la capacidad regenerativa de las células y en la practicidad y costo del procedimiento. Se ha comprobado que es posible disponer de células adultas con una cierta indiferenciación, capaces de generar células más diferenciadas, que pueden reproducirse in vitro e in vivo. En la indicación es necesario considerar si se debe tratar una lesión reciente o antigua para privilegiar, fundamentalmente, el implante de células capaces de inducir angiogénesis o miogénesis, o eventualmente una combinación de ambas.

Cardiomioplastia celular

   El desarrollo de la cardiología regenerativa fue posible gracias al trabajo conjunto de especialidades como biología celular, hematología, ingeniería tisular, electrofisiología, cardiología intervencionista y cardiocirugía (5).
   La cardiomioplastia celular consiste en el implante de células en el corazón con el fin de inducir el crecimiento de nuevas fibras musculares y el desarrollo de angiogénesis en el miocardio lesionado. Este tratamiento con células vivas puede contribuir a mejorar tanto la función ventricular sistólica como diastólica y a revertir el proceso de remodelado postisquémico. El miocardio adulto es incapaz de reparar en forma efectiva su lesión después de un infarto debido a la escasez de células progenitoras. Por esta razón, han sido diseñadas estrategias de trasplante celular para el tratamiento de la insuficiencia cardíaca de etiología isquémica y no isquémica, con el fin de reemplazar las células destruidas con otras células que puedan realizar el trabajo cardíaco (3,6).
   Esta terapia celular de regeneración miocárdica puede utilizar diferentes tipos de células. Clínicamente se han usado mioblastos autólogos (células madre extraídas de músculos estriados), células madre derivadas de la médula ósea y células progenitoras circulantes en sangre. Investigaciones actuales permiten suponer un futuro promisorio para las células mesenquimatosas de la médula ósea (células multipotentes derivadas del estroma medular) y para las células totipotentes embrionarias.

Selección celular

   Una de las mayores cuestiones pendientes que concierne a la terapia celular en el tratamiento de la insuficiencia cardíaca es qué tipo de célula es la apropiada para la regeneración miocárdica. Las células implantadas en el miocardio patológico actuarían produciendo miogénesis y/o angiogénesis, que ayudarán a regenerar el tejido contráctil y la matriz extracelular.
   A continuación se describen los tipos celulares utilizados experimentalmente, así como en la faz clínica, clasificados según el mecanismo de acción predominante:
   Inducción de miogénesis y/o cardiomiogénesis
   • Células musculares esqueléticas (mioblastos).
   • Células mesenquimales de la médula ósea.
   • Células embrionarias.
   • Células musculares lisas.
   • Cardiomiocitos fetales y neonatales.
   • Cardiomiocitos atriales como marcapasos biológicos cardíacos.
   • Cardiomiocitos ventriculares adultos.
   Inducción de angiogénesis y arteriogénesis
   • Células mononucleares seleccionadas de m. ósea.
   • Células mononucleares aisladas de sangre periférica.
   • Células sanguíneas y/o medulares progenitoras endoteliales (CD 34 y CD 133).
   • Células progenitoras del cordón umbilical.
   • Células endoteliales vasculares (aisladas a partir de la íntima de arterias y venas).
   • Células mesoteliales extraídas del epiplón.
   • Células progenitoras extraídas del tejido adiposo.

Mecanismos de acción

   El mecanismo por el cual las células implantadas mejorarían la función cardíaca permanece en controversia (7). Las células implantadas contribuirían a través de 3 mecanismos:
   1) Transdiferenciación (plasticidad celular).
   2) Fusión con células residentes (quimerización).
   3) Efecto paracrino: liberación de citoquinas (factores de crecimiento angiogénicos).
   La inducción de angiogénesis y miogénesis se ha involucrado directa o indirectamente como contribuyente en los beneficios funcionales luego del trasplante celular. Diversos estudios han demostrado que el injerto de células progenitoras aumenta la elasticidad regional y cambia la matriz extracelular, limitando el remodelado patológico postisquémico (dilatación y deformación ventricular). Los efectos positivos de la cardiomioplastia celular pueden atribuirse a:
   1) Reducción de la extensión y de la densidad de la fibrosis de las zonas infartadas.
   2) Aumento de la viabilidad y del espesor de la pared del ventrículo.
   3) Restablecimiento de la elasticidad (compliance) regional del miocardio.
   4) Recuperación histológica y funcional de zonas intermedias parcialmente isquémicas (miocardio hibernante).

Selección de pacientes

   La cardiomioplastia celular puede aplicarse clínicamente en pacientes que presentan insuficiencia ventricular postisquémica (zonas de infarto aquinéticas y metabólicamente no viables) y en cardiopatías no isquémicas (incluyendo la cardiopatía chagásica). La inyección celular precoz luego de un infarto de miocardio puede prevenir la formación de una escara fibrótica amplia. Razonablemente, la inyección de células debería realizarse solamente después que la reacción inflamatoria se halle en retroceso, tanto en los casos de infarto como de enfermedad de Chagas.

Estudios clínicos en Europa, América y Asia

   Después de una década de estudios experimentales (con participación de nuestro equipo), a partir de junio del año 2000 más de 300 pacientes con enfermedad miocárdica isquémica y algunos con cardiopatías dilatadas idiopáticas y chagásicas han sido tratados en todo el mundo en varios protocolos clínicos de terapia celular. El número de pacientes tratados con mioblastos esqueléticos autólogos fue equivalente a aquéllos tratados con células madre de la médula ósea. En la actualidad existe una tendencia a utilizar células de médula ósea seleccionadas, implantadas principalmente a través de procedimientos de cardiología intervencionista (mediante catéteres). La mayoría de estos estudios clínicos son conducidos por investigadores independientes (3, 7).

Cuestiones en suspenso

   La terapia celular angiogénica y miogénica genera todavía diversas cuestiones:
   1) Posibilidad de un acoplamiento electromecánico entre las células implantadas y el miocardio huésped.
   2) Eficacia según la vía de inyección y el tipo de células: vía epicárdica versus vía endocárdica versus vía intracoronaria. Inyecciones en el centro del infarto y/o en la zona periférica.
   3) Implantes celulares únicos o sucesivos utilizando catéteres.
   4) Beneficios e inconvenientes de los diferentes tipos de células: mioblastos versus células medulares versus células embrionarias.
   5) Suero humano autólogo o suero bovino para cultivos celulares (8).
   6) Efectos funcionales: aumento de la contractilidad o solamente limitación de la dilatación ventricular y del remodelamiento postisquémico
   7) Estrategias para mejorar la viabilidad celular: preacondicionamiento y prevascularización (4).
   8) Estrategias para prediferenciar las células madre pluripotentes.
   9) Indicaciones de la terapia celular: infarto agudo, crónico, ventrículo derecho, insuficiencia mitral isquémica, cardiopatías no isquémicas, enfermedad de Chagas.
   10) Necesidad de una matriz exógena proangiogénica para reforzar y corregir las zonas disquinéticas (cicatrices < 4 mm de espesor) y regenerar la matriz extracelular.
   Probablemente, estas cuestiones serán clarificadas por futuras investigaciones. Es también evidente que la terapia celular, los factores de crecimiento y las terapias genéticas serán combinados y se beneficiarán recíprocamente con los avances de cada disciplina. Deberán considerarse como tratamientos complementarios para regenerar el miocardio en pacientes afectados por cardiopatías severas.

Ingeniería de tejidos y matriz extracelular

   La ingeniería de tejidos es una disciplina relativamente nueva, que se ha desarrollado rápidamente, cuya finalidad de reparar o sustituir los tejidos u órganos que sufren procesos patológicos; mediante la utilización de biomateriales, células y sustancias biológicamente activas. El desafío principal que presenta esta disciplina en el ámbito cardíaco es el de crear un músculo artificial, a fin de tratar las lesiones miocárdicas irreversibles, de restaurar una funcionalidad adecuada y, secundariamente, de mejorar la sobrevida y la calidad de vida de los pacientes afectados (9-15).
   Para alcanzar este ambicioso objetivo esta disciplina recurre a los últimos avances en el campo de la fisiopatología de los tejidos orgánicos y a las más modernas tecnologías en el ámbito de la ingeniería biomédica. A fines de la década de 1990 se han obtenido importantes progresos en la síntesis de tejidos estructurales como piel, cartílago y hueso. La estrategia clásica consiste en aislar células de un determinado órgano mediante una biopsia para luego cultivarlas en un soporte tridimensional y, finalmente, posicionar la matriz celularizada resultante en el sitio deseado. Aunque esto pudiera parecer simple, entre los numerosos elementos que deben ser considerados encontramos no sólo el tipo celular y los biomateriales a utilizar (biológicos o sintéticos), sino también los factores de crecimiento necesarios a modular, las actividades celulares necesarias a estimular, y poner en marcha los procesos regenerativos.
   Una de las propiedades más importantes de una matriz celularizada es la capacidad de acoger y formar una red vascular capaz de proporcionar el aporte energético y nutritivo necesario para el metabolismo de las células implantadas. Visto que todas las células son en menor o mayor grado sensibles a la isquemia, las matrices deberían contar con una red capilar desarrollada antes o inmediatamente después de ser implantadas en los órganos afectados. La angiogénesis puede verificarse por la formación de nuevos capilares a partir de vasos preexistentes o por la incorporación de progenitores endoteliales circulantes. La entidad de este proceso depende no sólo de estos dos fenómenos, sino también de los factores de crecimiento liberados por las células implantadas en la matriz y por las células que integran el tejido huésped. Con el propósito de estimular la angiogénesis, distintos factores de crecimiento (citoquinas) podrían incorporarse en matrices orgánicas (por ej. de colágeno) o en matrices de materiales sintéticos inorgánicos (por ej. polímeros) (16-22).


Creación de un miocardio bioartificial

   Es importante recordar que en las lesiones de infartos de miocardio existen simultáneamente alteraciones de las células cardíacas y de la matriz extracelular. Normalmente, la matriz ventricular está constituida en un 80% por colágeno tipo I (responsable de la geometría del esqueleto ventricular y del alineamiento de los cardiomiocitos) y en un 10% por colágeno tipo III (responsable de la interconexión entre las células y del acortamiento sistólico). Después de un infarto de miocardio, el colágeno tipo I se reduce al 40% y el colágeno tipo III aumenta al 35%, creando una fibrosis patológica. Nuestro objetivo es incorporar una matriz biodegradable y tridimensional de colágeno tipo I en los procedimientos de regeneración miocárdica, para tratar de restablecer una proporción fisiológica entre los colágenos y reforzar la zona patológica (23-25) (Figura 1).

   La ingeniería tisular cardíaca se encuentra frente al gran desafío de reconstruir o regenerar las pérdidas anatómicas, de evitar o retardar la progresión del remodelamiento ventricular y de bloquear o revertir la reducción funcional que se verifica después de un infarto de miocardio. La sobrevida de las matrices celularizadas en condiciones de isquemia, el desarrollo de una vascularización y la integración funcional del tejido formado representan problemas cruciales a superar. Otro punto importante es la construcción de catéteres que permitan en un futuro implantar de manera menos invasiva estas matrices (en forma termosoluble o de gel), a fin de evitar una intervención de cirugía cardíaca (26-30).
   Los esfuerzos actuales de la ingeniería de tejidos parecen concentrarse en obtener un tejido capaz de desarrollar fuerzas de contracción eficaces a fin de mejorar la función ventricular sistólica. Sin embargo, en el momento actual podemos afirmar que, análogamente al efecto de limitación del remodelamiento ventricular que se obtiene con la terapia médica (b-bloqueantes, diuréticos, IECA, etc.), la limitación de la progresión de la dilatación cardíaca constituye un objetivo fundamental de esta disciplina. La opinión de nuestro grupo es que para lograr esos dos objetivos es necesario reunir los esfuerzos paralelos de múltiples disciplinas. Con toda la prudencia, pero al mismo tiempo con toda la rapidez que la solución del problema requiere, es necesario establecer protocolos de experimentación animal y luego clínicos, a fin de evaluar estrategias combinadas de terapia celular y de ingeniería de tejidos. La utilización combinada de estas técnicas podría mejorar los beneficios que cada tratamiento presenta separadamente.
   Después de haberse realizado diversos estudios experimentales, un estudio clínico multicéntrico ha sido iniciado para evaluar este nuevo procedimiento: MAGNUM Clinical Trial (Myocardial Assistance by Grafting a New Upgraded bioartificial Myocardium).

CONCLUSIONES

   Los procedimientos de bioasistencia cardíaca implican una nueva apertura terapéutica en el desafiante campo de la insuficiencia cardíaca. A pesar de haberse realizado en todo el mundo más de 300 implantes de células madre para regenerar el miocardio, aún subsisten incógnitas que se deben elucidar. Nuestra experiencia como grupo de trabajo asociado franco-hispano-argentino alcanza a 60 procedimientos de terapia celular y 10 asociando una matriz de colágeno celularizada (miocardio bioartificial) (5-6,8). Durante el seguimiento de estos pacientes hemos hallado que el miocardio adquiere una “viabilidad positiva” de tejidos previamente clasificados como “no viables”, una mayor compliance y recuperación de la motilidad de zonas intermedias (interfaz infarto-miocardio normal). Los objetivos futuros incluyen lograr que esta técnica de regeneración autóloga sea una práctica factible y de riesgos controlados, y tratar de responder a los siguientes interrogantes: ¿Qué célula utilizar? ¿Cuáles son las indicaciones? ¿Cuál es la mejor vía de implante? ¿Es posible el acoplamiento electromecánico entre las células injertadas y el miocardio huésped? Mientras tanto, la regeneración cardíaca por medio de la cardiomioplastia celular y la ingeniería de tejidos ofrece una posibilidad promisoria de restaurar la función cardíaca en pacientes con extensas áreas de infarto o con cardiomiopatías dilatadas degenerativas y parasitarias (enfermedad de Chagas). La utilización del poder regenerador de células autólogas vivientes está siguiendo etapas científicas y éticas que respetan la dignidad y la seguridad de los pacientes y tienen en cuenta la realidad económica y social del siglo XXI.

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