Cultivo de injertos de tejido en robots humanoides

¿Una futura estrategia en medicina regenerativa?

Los robots humanoides pueden ayudar al crecimiento de los injertos de tejido músculo-esquelético para aplicaciones del trasplante de tejidos.

Durante la última década, se han hecho progresos muy interesantes en el desarrollo de robots humanoides.  El valor  potencial de estos en el futuro, incluye aplicaciones que van desde la asistencia personal a la medicina y la exploración espacial. En particular, los humanoides musculo-esqueléticos (como Kenshiro y Eccerobot) se desarrollaron para interactuar con los seres humanos de una manera más segura y más natural. Su objetivo es simular de cerca la anatomía detallada del sistema musculo-esquelético humano incluyendo músculos, tendones y huesos.

Con sus estructuras de músculos artificiales, los humanoides musculo-esqueléticos tienen la capacidad de imitar con mayor precisión los múltiples movimientos y fuerzas aplicadas a las articulaciones humanas. Como resultado, no es sorprendente que estos ofrezcan nuevas oportunidades de estudio a la  ciencia y la medicina. Aquí, les enseñamos como  los robots musculo-esqueléticos pueden ayudar en la aplicación de injertos de tejido musculo-esquelético para aplicaciones de trasplante de tejido humano.

En la sociedad actual, el envejecimiento de la población, los trastornos del tejido osteomuscular y las lesiones son una creciente carga sanitaria, social y económica. El dolor y la falta de movilidad son problemas comunes debido al fallo de los tejidos, como el tendón, el ligamento, el hueso y el cartílago. Una estrategia de reparación prometedora es diseñar injertos de tejido. La ingeniería tisular es posible gracias al desarrollo de sistemas de biorreactores que controlan las condiciones ambientales necesarias para mantener las células y tejidos vivos fuera del cuerpo. También se proporcionan estímulos químicos y mecánicos que promueven la diferenciación de fenotipos celulares particulares dentro de la construcción tisular. Sin embargo, para crear injertos de tejido funcional, se necesitan biorreactores más avanzados. En particular, los biorreactores actuales proporcionan estímulos que no imitan el entorno mecánico real de las células, y esto dificulta  o impide la fabricación de injertos clínicamente relevantes.

La estimulación mecánica es fundamental para el desarrollo exitoso de los tejidos músculo-esqueléticos in vivo e in vitro. En comparación con las condiciones estáticas, tensiones dinámicas aplicadas in  vitro generalmente mejoran las propiedades mecánicas de los tejidos originados y crean un mayor número de células, mayor  matriz extracelular y mejor diferenciación de la célula.  En general, la teoría sugiere que la estimulación mecánica in vitro debe de ser lo mas real posible.

Sin embargo, los sistemas de biorreactores desarrollados hasta ahora en la ingeniería de tejidos musculo-esqueléticos son relativamente rudimentarios. Los biorreactores tisulares típicos consisten en una envoltura dura usada como una cámara de cultivo (en la que residen los injertos de tejido) acoplada con un actuador lineal, que somete a trabajos de carga cíclica. Estos biorreactores de estudio suelen ser capaces de aplicar esfuerzos uniaxiales o biaxiales con un régimen de carga programable.

La principal limitación de los biorreactores actuales es que imitan pobremente las cargas mecánicas que se experimentan en el cuerpo. Para producir injertos clínicamente relevantes, los futuros biorreactores necesitarán:

  1. Proporcionar tensiones multidireccionales mediante una combinación de esfuerzos de tensión, torsión, compresión.
  2. Adaptar el régimen de carga a cada tejido individual teniendo en cuenta su ubicación anatómica.
  3. Habilitar la fabricación de construcciones de tejido con dimensiones similares a sus homólogos originales en el cuerpo humano.

Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, tiene sentido crear biorreactores avanzados con estructuras, dimensiones y mecánica similares a las del cuerpo humano. En este contexto, los robots musculo-esqueléticos humanoides se vuelven muy relevantes. Mediante la imitación de la arquitectura esquelética humana y los movimientos corporales en diferentes actividades, podrían ayudar a superar las limitaciones de los biorreactores actuales.

El diseño de sistemas “humanoides-biorreactores” implicaría varias consideraciones, como las siguientes:

¿Cómo interactuaría el robot con su entorno?

La capacidad de los humanoides para interactuar libremente con su entorno y objetos reales podría ser una ventaja en comparación con los biorreactores de laboratorio. Esto puede proporcionar tensiones más realistas a las construcciones de tejido y eventualmente conseguir injertos con mejor funcionalidad o con propiedades adaptadas.

¿Cómo actuaría el biorreactor humanoide?

En robots, como Kenshiro y Eccerobot, los músculos principales y los tendones se mimetizan con materiales de tipo caucho activados por cuerdas rígidas, que se unen a unos ejes impulsados por los motores. Sin embargo, los robots más recientes también han utilizado los músculos artificiales neumáticos, lo que sugiere que otros materiales desarrollados en robótica ‘suave’, como los músculos artificiales poliméricos electroactivos, también podrían ser implementados en los humanoides musculo-esqueléticos para proporcionar una mejor mecánica. Aunque no se prevé aquí la sustitución del sistema de actuación por tejidos de ingeniería, la combinación de un humanoide con tejidos basados en células  también puede convertirse en una estrategia en el futuro.

¿Cómo se medirían y controlarían las fuerzas?

Es importante asegurar el desarrollo apropiado del tejido. En particular, el monitoreo de las variaciones de las propiedades mecánicas del entorno a medida que el tejido crece y madura puede ayudar a los humanoides a optimizar el régimen de carga. Para tales aplicaciones, pueden ser apropiados sensores flexibles y estirables, tales como los utilizados en robótica blanda. Los sensores típicos usados en los biorreactores actuales también pueden ayudar a los humanoides a evaluar (y responder) al avance de la formación de tejido, por ejemplo, monitorizando el pH y las concentraciones de glucosa y lactato en el medio de cultivo.

Los sistemas de biorreactores humanóides pueden abrir numerosas oportunidades en medicina, ciencia y tecnología, en el espíritu de la “ciencia de la robótica y la robótica para la ciencia”. En particular, pueden:

  1. Llevar a la fabricación de injertos de tejido musculo-esquelético más relevantes desde el punto de vista clínico y, en particular, permitir el desarrollo personalizado de injertos de tejido, adaptando la morfología y la mecánica del robot a las necesidades del paciente.
  2. Apoyar el desarrollo de construcciones multifásicas, como los injertos de músculo óseo-tendón, que es un área importante de desarrollo en la ingeniería de tejidos, porque el fracaso durante la cicatrización ocurre a menudo en la interfase entre los tejidos.
  3. Proporcionar más información sobre mecanobiología y mecanismos de curación de tejidos.
  4. Habilitar un cribado más rápido de los andamios potenciales para la reparación musculo-esquelética y reducir el uso de modelos animales en ensayos preclínicos.
  5. Acelerar el desarrollo de robots musculo-esqueléticos más seguros con movimientos más naturales y conducir al desarrollo de humanoides biohíbridos, considerando la aparición de actuadores basados ​​en células.

En resumen, ahora es técnicamente posible y científicamente pertinente explorar con mayor detalle el potencial de los humanoides como herramientas para la medicina regenerativa. Los avances en este campo podrían conducir a aplicaciones emocionantes a través de múltiples disciplinas.

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