Investigadores médicos e ingenieros de la Universidad de Wisconsin-Madison, en Estados Unidos, han realizado importantes avances que pueden dar esperanzas a quienes sufren la pérdida de visión, al conseguir fabricar fotorreceptores sensibles a la luz que el organismo por sí mismo no puede regenerar, según publican en la revista 'Science Advances'.
Decenas de millones de personas en todo el mundo están afectadas por enfermedades como la degeneración macular o han sufrido accidentes que dañan de forma permanente los fotorreceptores sensibles a la luz de sus retinas que permiten la visión y que el cuerpo humano no es capaz de regenerar.
Los investigadores de la UW-Madison han fabricado nuevos fotorreceptores a partir de células madre pluripotentes humanas. Sin embargo, sigue siendo un reto introducir con precisión esos fotorreceptores en el ojo enfermo o dañado para que puedan formar las conexiones adecuadas, explica David Gamm, director del Instituto de Investigación Ocular McPherson y profesor de oftalmología y ciencias visuales de la Facultad de Medicina y Salud Pública de la UW.
Han desarrollado un "parche" fotorreceptor de andamiaje micromoldeado diseñado para ser implantado bajo una retina dañada o enferma
"Aunque fue un gran avance poder fabricar las piezas de recambio (estos fotorreceptores), sigue siendo necesario llevarlas al lugar adecuado para que puedan reconstruir la retina con eficacia --precisa--. Así que empezamos a pensar: '¿Cómo podemos hacer llegar estas células de una forma más inteligente? Fue entonces cuando nos pusimos en contacto con nuestros ingenieros de talla mundial de la UW-Madison".
Gamm colabora con sus compañeros Shaoqin (Sarah) Gong, profesora de ingeniería biomédica, miembro de la facultad del Instituto Wisconsin para el Descubrimiento y experta en biomateriales, y Zhenqiang (Jack) Ma, profesor de ingeniería eléctrica e informática y experto en semiconductores cuyo laboratorio tiene experiencia en la micro y nanofabricación sofisticada. Juntos, sus grupos de investigación han desarrollado un "parche" fotorreceptor de andamiaje micromoldeado diseñado para ser implantado bajo una retina dañada o enferma.
En 2018, el equipo desarrolló su primer andamio de polímero biodegradable con poros en forma de cristal de vino para mantener las células fotorreceptoras en su lugar. Sin embargo, ese diseño no era óptimo ya que no cabían muchos fotorreceptores en cada poro.
En esta segunda generación de andamios, el equipo optó por un diseño en forma de bandeja de cubitos de hielo, que puede albergar el triple de células al tiempo que reduce la cantidad de biomaterial utilizado para el andamiaje con el fin de facilitar una degradación más rápida del material sintético dentro del ojo.
Gong y su equipo, dirigido por el estudiante de posgrado Ruosen (Alex) Xie, examinaron una larga lista de posibles biomateriales antes de decidirse por el poli(glicerol-sebacato), o PGS, un material compatible con la retina y que el organismo puede metabolizar con seguridad tras su degradación. El laboratorio de Gong optimizó la formulación y desarrolló un proceso de curado para conseguir las propiedades deseables del material para fabricar los andamios.
Se trata de un andamio perfecto con forma de bandeja de hielo capaz de albergar más de 300.000 fotorreceptores
"Queríamos que el material fuera muy resistente --destaca la estudiante de posgrado y coautora Allison Ludwig, que trabaja en el laboratorio de Gamm--, "y en el ojo se degrada muy rápidamente en unos dos meses. Eso es ideal para la retina humana"
El proceso de elaboración del andamio con la resistencia mecánica deseada y las dimensiones precisas fue llevado a cabo por el co-primer autor Inkyu Lee y el estudiante graduado Juhwan Lee, que trabajan en el laboratorio de Ma. Para conseguir microestructuras en forma de cubitera en 3D altamente ordenadas a partir de películas de PGS biodegradables y biocompatibles con características de tamaño micrométrico, desarrollaron técnicas de micromoldeo de varios pasos que pueden transferir patrones a películas de polímeros flexibles.
El trabajo final de fabricación de andamios fue tedioso y frustrante. Se produjeron fracturas e imperfecciones en los andamios blandos durante el desmontaje de los micromoldes, lo que hizo que los micromoldes fueran inoperables para su uso posterior, pero Inkyu Lee descubrió finalmente que empapando el andamio en alcohol isopropílico se podía liberar limpiamente.
"Los procesos de fabricación que crean un andamio con características de tamaño micrométrico implican muchas habilidades de manipulación técnica que dependen de las personas, lo que dificulta la producción de andamios con una calidad uniforme --afirma--. Quería conseguir algo que fuera repetible independientemente de las habilidades de manejo de un operario. Me llamó la atención el hecho de que el polímero PGS se hinchara en alcohol isopropílico. Aprovechar esta propiedad acabó facilitando la liberación de los andamios de los micromoldes".
Con este método, el laboratorio de Ma pudo desmontar el andamio de los micromoldes de forma fiable y sin defectos en la superficie y conservar las microestructuras del molde, manteniendo la integridad de la superficie del mismo para su reutilización. Al final, la microscopía reveló que la técnica de fabricación fue un éxito, reproduciendo de forma fiable un andamio perfecto con forma de bandeja de hielo capaz de albergar más de 300.000 fotorreceptores en aproximadamente el área de la mácula humana, el centro de la retina.
El equipo tiene previsto seguir optimizando la forma del andamio, la técnica de fabricación y los materiales biorreabsorbibles para acelerar la producción
"En general, los resultados son muy emocionantes y significativos --apunta Ma--. Una vez que hemos averiguado la receta, la producción en masa se hizo inmediatamente posible, y la comercialización será muy fácil. Los métodos de fabricación pueden utilizarse para crear muchos otros tipos de andamios blandos para diversas aplicaciones biomédicas, como la complicada ingeniería de tejidos, etc.".
El equipo ha dado a conocer la estructura del andamio y el método de fabricación a la Wisconsin Alumni Research Foundation, que ha presentado una solicitud de patente.
El equipo tiene previsto seguir optimizando la forma del andamio, la técnica de fabricación y los materiales biorreabsorbibles para acelerar la producción y satisfacer futuras necesidades quirúrgicas. Mientras tanto, la iteración actual del parche de andamiaje está casi lista para las pruebas quirúrgicas en animales grandes. Si tiene éxito, el parche se probará finalmente en humanos.
"Esperamos que estos parches de retina de primera generación sean seguros y devuelvan algo de visión. Entonces podremos innovar y mejorar la tecnología y los resultados con el tiempo --dice Gamm--. No empezamos con superordenadores en las muñecas y no vamos a empezar borrando completamente la ceguera en nuestro primer intento. Pero estamos muy ilusionados por dar un paso importante en esa dirección".