Una célula artificial o una célula mínima es una partícula diseñada que imita una o varias funciones de una célula biológica. El término no hace referencia a una entidad física específica, sino a la idea de que ciertas funciones o estructuras de una célula biológica pueden ser remplazadas o suplementadas con una entidad sintética. A menudo, las células artificiales son membranas biológicas o poliméricas que envuelven materiales biológicamente activos. Tal como nanopartículas, liposomas, polimerosomas, microcápsulas y un número de otras partículas se han clasificado como células artificiales. La micro-encapsulación permite el metabolismo en el interior de la membrana, el intercambio de pequeñas moléculas y previene el paso de sustancias de mayor tamaño. La principal ventaja de la encapsulación incluye el mimetismo mejorado en el cuerpo, mayor solubilidad del cargamento y menor respuesta inmune. Notablemente, las células artificiales han sido clínicamente exitosas en la hemoperfusión.
En el área de la biología sintética, una célula artificial «viva» se define como una célula completamente hecha de manera sintética, que puede capturar energía, mantener gradientes iónicos, contiene macromoléculas al igual que guarda información y tiene la habilidad de mutar. Dicha célula todavía no es factible, sin embargo una variación de células artificiales se ha creado en donde un genoma completamente sintético se ha introducido en una célula huésped carente de genoma. Aunque no sea completamente sintética, ya que los componentes del citoplasma, al igual que la membrana se mantienen del huésped, la célula diseñada está bajo el control de un genoma sintético y es capaz de replicarse.
Historia Las primeras células artificiales fueron desarrolladas por Thomas Chang en la McGill University en los años 1960. Estas células consistían en membranas ultradelgadas de nailon, colodión o proteínas reticuladas cuyas propiedades semipermeables permitían la difusión de pequeñas moléculas al interior o exterior de la célula. Estas células eran micrométricas y contenían células, enzimas, hemoglobina, materiales magnéticos, adsorbentes y proteínas.
Después las células artificiales han variado de un rango de cien micrométros a dimensiones nanométricas y pueden transportar microorganismos, vacunas, genes, fármacos, hormonas y péptidos. El primer uso clínico de estas células fue en la hemoperfusión por la encapsulación de carbón activado.
En los 1970, investigadores pudieron introducir enzimas, proteínas y hormonas a microcápsulas biodegradables, posteriormente usándolas clínicamente en enfermedades como el síndrome de Lesch-Nyhan. Aunque inicialmente la investigación de Chang se concentraba en células rojas artificiales, solo a mediados de los 1990 se desarrollaron células rojas artificiales biodegradables. Células artificiales en encapsulación de células biológicas fue por primera vez usado en 1994 para el tratamiento de un paciente diabético y desde ahí otros tipos de células como hepatocitos, células madre adultas y células genéticamente modificadas se han encapsulado y se centran en estudio para la regeneración de tejidos.
El 29 de diciembre de 2011, químicos en la Harvard University reportaron la creación de una membrana celular artificial.
Por el 2014, células con autorreplicación, células bacterianas sintéticas con paredes celulares y ADN sintético se han producido. En enero de ese año, investigadores produjeron una célula eucariota artificial capaz de llevar a cabo múltiples reacciones químicas a través de organelos funcionales.
Materiales
Las membranas para las células artificiales pueden elaborarse con polímeros simples, proteínas reticuladas, membranas lipídicas o complejos polímeros-lípidos. Además, las membranas pueden ser diseñadas para que tengan proteínas de superficie como albúmina, antígenos, bombas sodio-potasio, o poros tales como canales iónicos. Los materiales comúnmente usados para la producción de las membranas, incluyen polímeros de hidrogel como el alginato, la celulosa y polímeros de termoplástico como el metacrilato de hidroxietil-metacrilato de metilo (HEMA-MMA), poliacrilonitrilo-cloruro de polivinil (PAN-PVC), al igual que variaciones de los mencionados arriba. El material que se usa determina la permeabilidad de la membrana celular, que en los polímeros depende de su peso molecular nominal límite (MWCO, por sus siglas en inglés). El MWCO es el máximo peso molecular de una molécula que pueda pasar libremente por los poros y es importante para determinar adecuadamente la difusión de nutrientes, deshechos y otras moléculas críticas. polímeros hidrofílicos tienen el potencial de ser biocompatibles y se pueden fabricar en una variedad de formas que incluyen micelas de polímeros, mezclas sol-gel, mezclas físicas y partículas reticuladas y nanopartículas. Con un interés especial se tiene a los polímeros que responden a estímulos como a cambios de pH o temperatura para su uso en administraciones selectivas. Estos polímeros se pueden administrar en forma líquida por medio de una inyección macroscópica y que solidifica o gela in situ debido a la diferencia en pH o temperatura. Las preparaciones de nanopartículas y los liposomas también se usan habitualmente para la encapsulación y administración. Una gran ventaja de los liposomas es su habilidad de fusionarse a las membranas de las células o de los organelos.
Preparación Se han desarrollado muchas variaciones para la preparación y encapsulación de las células artificiales. Usualmente, se sintetizan vesículas como nanopartículas, polimersomas o liposomas. Una emulsión comúnmente se hace a través del uso de equipo con altas presiones como el homogeneizador a alta presión o un microfluidizador. De igual modo dos métodos de micro-encapsulación para nitrocelulosa se describen abajo.
Homogeneizador a alta presión En un homogeneizador a alta presión, dos líquidos en una suspensión aceite/líquido son forzados a pasar a través de un pequeño orificio bajo altas presiones. Este proceso corta los productos y permite la creación de partículas extremadamente finas, tan pequeñas como de 1nm.
Microfluidización Esta técnica utiliza un microfluidizador patentado para obtener una gran cantidad de suspensiones homogéneas que puede crear partículas más pequeñas que las de un homogeneizador. Un homogeneizador es primero usado para crear una suspensión burda que después es bombeada al microfluidizador a altas presiones. El flujo es separado en dos corrientes que reaccionaran a altas velocidades en una cámara de interacción hasta que es alcanzado el tamaño de partícula deseado. Esta técnica permite la producción a gran escala de liposomas de fosfolipidos y la nanoencapsulación del subsecuente material.
Método de goteo En este método, una solución celular es incorporada mediante un goteo a una solución de colodión de celulosa de nitrato. Mientras la gota viaja a través del colodión, es envuelta con una membrana gracias a las propiedades de polimerización interfacial del colodión. La célula después se deposita en parafina donde se forma la membrana y es finalmente suspendida en una solución salina. El método de goteo es usado para la creación de células artificiales grandes que encapsulan células biológicas, células madre y células madre genéticamente modificadas.
Método de emulsión El método de emulsión difiere en cuanto a que el material a encapsular es usualmente más pequeño y es puesto en el fondo de la cámara de reacción donde el colodión es agregado en la parte superior y son centrifugados, o de otro modo son perturbados para así crear una emulsión. El material a encapsular es dispersado y suspendido en una solución salina.
Relevancia clínica
Liberación y administración de fármacos Las células artificiales utilizadas en la administración de fármacos difieren de otras células artificiales, ya que su contenido requiere que se difunda al exterior de la membrana, o ser envuelta y digerida por la célula huésped de interés. Comúnmente se usan submicras, de células artificiales de membranas lipídicas que se les puede referir a nanocáspulas, nano partículas, polimerosomas, u otras variaciones de términos.
Terapia enzimática La terapia enzimática se estudia de manera ardua para enfermedades genéticas del metabolismo donde las enzimas se sobre expresan, se subexpresan, son defectuosas o ni siquiera se están presentes. En el caso de la subexpresión o la expresión de una enzima deficiente, una forma activa de la enzima es introducida en el cuerpo para compensar el déficit. En el caso de una sobre-expresión se puede contrarrestar por la inducción de una enzima no funcional, la cual metaboliza al sustrato en productos no activos. Cuando se les deposita en células artificiales, las enzimas pueden llevar a cabo sus funciones por un período mucho mayor al de enzimas libres y se les puede optimizar de una manera mucho mayor por la conjugación polimérica.Park et al 1981
La primera enzima estudiada bajo la encapsulación en una célula artificial fue la asparaginasa para el tratamiento de linfosarcoma en ratones. Este tratamiento retrasa el comienzo y crecimiento de los tumores. Estos descubrimientos promovieron más investigaciones en el uso de células artificiales para la administración de enzimas en melanomas dependientes de tirosina. Estos tumores tienen una alta dependencia a la tirosina que una célula normal para su crecimiento, y la investigación ha demostrado que bajar sistemáticamente los niveles de tirosina en ratones puede inhibir el crecimiento de melanoma. El uso de células artificiales en la administración de tirosinasa; y enzimas que digieren la tirosina, permite una mayor estabilidad enzimática y muestra de manera efectiva la eliminación de tirosina sin causar efectos secundarios severos asociados a la depravación de tirosina en la dieta.
Las células artificiales par la terapia enzimática también es de interés para la activación de profármacos como ifosfamida en contra de ciertos cánceres. Células artificiales encapsulando al citocromo p450 que convierte este profármaco en el fármaco activo se puede diseñar para acumularse en el carcinoma pancreático o implantarlos cerca del sitio del tumor. Ahí, la concentración local de la ifosfamida va a ser mucho mayor que en otras regiones del cuerpo, así previniendo la toxicidad sistemica. El tratamiento fue exitoso en animales y mostró duplicación en la media de supervivencia entre pacientes con fases avanzadas de cáncer pancreático en fase clínicas I/II y triplicando en el ratio de un año de supervivencia. Terapia génica En el tratamiento de enfermedades genéticas, la terapia génica apunta a insertar, alterar y remover genes dentro de células individuales afligidas. La tecnología se basa fuertemente en vectores virales que ha alzado preocupaciones conforme a la mutagénesis y respuesta inmune sistémica que ha llevado a muertes humanas y al desarrollo de leucemia en ensayos clínicos. Al tratar de sortear la necesidad de vectores se ha usado plásmidos de DNA como su propio mecanismo de administración también, aunque se encontraron problemas como la poca eficiencia en transducción y al ser aplicada sistemáticamente hay poca selección en cuanto al tejido objetivo.
Las células artificiales han sido propuestas como vectores no virales donde células no autólogas genéticamente modificadas son encapsuladas e implantadas para liberar proteínas recombinantes in vivo. Este tipo de inmuno-aislación ha mostrado ser eficiente en ratones a través de la administración de células artificiales que contienen hormona de crecimiento de ratón lo que mejoró el retraso en el crecimiento de un ratón mutado. Algunas estrategias han avanzado a ensayos clínicos humanos como para el tratamiento de cáncer pancreático, esclerosis lateral y para el control de dolor.
Hemoperfusión