Durante décadas los científicos de materiales han venido trabajado arduamente para imitar la compleja arquitectura del organismo humano con la esperanza de reemplazar partes rotas o tratar enfermedades.
Llegará un día en que una simple inyección hará que un hueso roto sane, que dispositivos pequeños e ingeribles permanezcan en el cuerpo sin ser notados, rastreando nuestra salud o administrando medicamentos que salvan vidas y cuando los implantes cerebrales y cardíacos se combinen con la carne tan perfectamente que el cuerpo piensa que han estado allí todo el tiempo.
Los bioingenieros indican que el problema es que, en la actualidad, la mayoría de las piezas de reemplazo y correctivas, desde prótesis hasta marcapasos, están hechas de materiales duros, secos y sin vida, como metal o plástico, mientras que el tejido biológico es blando, húmedo y vivo. El cuerpo conoce la diferencia y tiende a rechazar las imitaciones.
Los hidrogeles, son redes tridimensionales de moléculas hinchadas con, por definición, agua.
Descritos por primera vez en 1960 por los creadores de lentes de contacto blandas, estas extrañas sustancias que cambian de forma pueden transformarse de líquido a sólido a un medio blando. Los primeros usos simples incluyen gel para el cabello o gelatina. Lentos para llamar la atención, creciendo a solo 1,000 estudios publicados en 1982, se han convertido en objeto de intenso estudio recientemente, con 100,000 artículos publicados en total para 2020, y 3,800 en lo que va el presente año.
A medida que los químicos, biólogos e ingenieros comienzan a trabajar más entre sí y con los médicos, el floreciente campo de hidrogel está listo para transformar la forma en que se administran medicamentos y se tratan las articulaciones desgastadas y allanar el camino para un futuro aparentemente de ciencia ficción en el que los órganos, incluidos los cerebros, pueden interactuar directamente con las máquinas.
Somos, esencialmente, hidrogeles. A medida que los científicos desarrollen nuevos hidrogeles que coincidan más estrechamente con los tejidos de nuestro cuerpo, se podrán tratar una gran cantidad de dolencias que antes no se podía tratar.
Un hidrogel es como una bolsa de malla de agua. La malla está hecha de polímeros, o hebras de moléculas similares a espaguetis, cosidas juntas en un patrón repetitivo e hinchadas con H2O, al igual que la forma en que las matrices 3D en nuestro cuerpo rodean, apoyan y dan estructura a nuestras células y tejidos.
Si bien la categoría más amplia de "geles" podría llenarse con cualquier cosa, incluidos los solventes químicos, el agua es el ingrediente clave que distingue a los hidrogeles, lo que los hace ideales para, como dicen algunos científicos, "fusionar humanos y máquinas".
Los huesos humanos son aproximadamente 25% de agua, mientras que los músculos rondan el 70% y el cerebro es 85%. El precioso líquido desempeña una serie de funciones críticas, desde transportar nutrientes y desechos hasta ayudar a las células a comunicarse entre sí.
Los hidrogeles hechos en laboratorio se pueden llenar con carga (como una pelota en la red), incluidas células o medicamentos que ayudan a imitar algunas de esas funciones.
Los hidrogeles también son suaves y flexibles como la carne. Por lo tanto, si se usan en implantes, es menos probable que dañen el tejido circundante.
Los hidrogeles también tienden a ser no tóxicos, por lo que es menos probable que el sistema inmunitario los ataque como cuerpos extraños.
Todo esto ha convertido a los hidrogeles en el nuevo favorito del mundo de la bioingeniería.
Las primeras versiones de los hidrogeles eran gruesas y pegajosas, lo que dificultaba su introducción al cuerpo. Los científicos han venido experimentando con fórmulas de gel durante años con la esperanza de que estos globos de alta tecnología puedan algún día transportar medicamentos de liberación prolongada al lugar correcto en el cuerpo.
Los nuevos hidrogeles comienzan como geles completamente formados (que ayudan a preservar el contenido del medicamento) dentro de una jeringa. Pero una vez que se empuja el émbolo, mágicamente cambian de forma a un líquido lo suficientemente delgado como para fluir fácilmente a través de una aguja estándar. Al salir, se transforman inmediatamente en geles, protegiendo la carga inherente de la degradación.
Esto podría ser un cambio de juego en un momento en que muchos medicamentos de vanguardia, como Humira para la artritis u Ozempic para la diabetes tipo 2, están hechos de proteínas que se degradan rápidamente, demasiado grandes y complejas para simplemente meterse en una píldora. En cambio, deben inyectarse, a menudo con frecuencia.
Debido a que el gel tarda meses en disolverse, administra lentamente el medicamento con el tiempo. Es posible pasar de una inyección una vez a la semana a una vez cada 4 meses.
Tales hidrogeles de liberación lenta podrían hacer que las vacunas duren más tiempo, enseñando al organismo a resistir mejor las variantes emergentes del virus y administrar terapias para combatir tumores con mayor precisión.
En un artículo en Nature Communications, los científicos mostraron que la píldora del pez globo también podría cargarse con pequeñas cámaras o monitores para rastrear afecciones como úlceras o cáncer. El sueño es tener una píldora inteligente similar a la gelatina que, una vez ingerida, permanezca en el estómago y monitoree la salud del paciente.
Desde la década de 1970, los investigadores han reflexionado sobre el uso de hidrogeles para reemplazar el cartílago humano, un tejido notablemente fuerte y flexible hecho de aproximadamente 90% de agua, pero capaz de soportar el peso de un automóvil en un área del tamaño de una moneda.
Hasta hace poco, esos esfuerzos han fracasado en gran medida. Es decir, cuando el cartílago de la rodilla se desgasta, cosas como trasplantes de cartílago, perforar agujeros para estimular un nuevo crecimiento o reemplazos totales de articulaciones, todos los cuales requieren una rehabilitación prolongada, son las únicas opciones. Pero eso puede estar a punto de cambiar. Wiley y sus colegas de Duke informaron recientemente que habían desarrollado el primer sustituto de cartílago a base de gel, aún más fuerte y duradero que el real.
Al unir su hidrogel a un respaldo de titanio para ayudar a pegarlo en su lugar, esperan reparar el cartílago dañado "al igual que un dentista llena una cavidad" mucho antes de que sea necesaria la cirugía. Ellos también se han asociado con la industria para llevar su hidrogel al mercado, comenzando con las rodillas.
En última instancia, el objetivo es hacer cualquier articulación: caderas, tobillos, dedos de las manos y de los pies.
En la Universidad de Toronto, en un artículo reciente en Proceedings of the National Academy of Sciences, describen un hidrogel, hecho de ADN, que puede inyectarse, migrar a un defecto en el hueso (una rotura irreparable, un agujero de cirugía o una mandíbula marchitada por la edad) y llenar el vacío como masilla. Pero no solo repara el agujero, sino que hace que el hueso se regenere.
Estos son los primeros días para los hidrogeles de ADN. Probablemente pasará una década o más antes de que dicha tecnología pueda estar disponible para los pacientes. Pero existe la posibilidad de que el hidrogel de ADN pueda algún día hacer crecer hueso sin tener que someterse a procedimientos quirúrgicos altamente invasivos. Ese es un avance significativo.
Quizás las aplicaciones potenciales más avanzadas de los hidrogeles están en el ámbito de la interacción hombre-máquina. Numerosas compañías ya están incursionando en prótesis neuronales o interfaces cerebro-computadora que algún día, por ejemplo, podrían permitir que alguien que está paralizado y no puede hablar escriba en una computadora portátil usando sus pensamientos.
Christina Tringides, PhD, en ETH Zurich, Zurich, Suiza, ha desarrollado un hidrogel a base de algas marinas cargado con pequeñas manchas de nanomateriales que no solo pueden fusionarse muy bien en el tejido cerebral blando, sino también conducir electricidad.
Dentro de una década, dice, esto podría reemplazar los torpes discos de metal platino utilizados para la electrocorticografía, registrando la actividad eléctrica en el cerebro para identificar dónde comienzan las convulsiones o realizar una cirugía cerebral precisa.
Fuentes
Benjamin Wiley, PhD, profesor, Departamento de Química, Universidad de Duke, Durham, NC.
Eric Appel, PhD, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, Universidad de Stanford, Stanford, CA.
Christina Tringides, PhD, becaria postdoctoral, ETH Zurich, Zurich, Suiza.
Christopher McCulloch, DDS, profesor, Facultad de Odontología, Universidad de Toronto.
Naturaleza: "Interfaces de hidrogel para fusionar humanos y máquinas".
Publicaciones ACS: "Aplicaciones traslacionales para hidrogeles".
Comunicado de prensa, Instituto de Tecnología de Massachusetts.
Materiales funcionales avanzados: "Un compuesto de hidrogel sintético con una resistencia y resistencia al desgaste mayor que el cartílago".
PNAS: "Hidrogeles de ADN para la regeneración ósea".
Comunicado de prensa, Wyss Institute, Harvard University, Boston.