Biopreservación: Guía completa para el almacenamiento de material biológico

La biopreservación, la conservación de materiales biológicos para su uso futuro, es una piedra angular de la investigación biomédica moderna, el diagnóstico y la terapéutica. Esta guía completa profundiza en los principios, técnicas, aplicaciones y consideraciones éticas que rodean la biopreservación, ofreciendo una perspectiva global sobre este campo crítico.

¿Qué es la biopreservación?

La biopreservación abarca una serie de técnicas destinadas a mantener la viabilidad e integridad de los materiales biológicos, como células, tejidos, órganos, ADN y otros bioespecímenes. El objetivo es minimizar la degradación y mantener las propiedades funcionales de estos materiales durante períodos prolongados. Estos materiales son esenciales para diversas aplicaciones, entre ellas:

• Investigación: Estudiar enfermedades, desarrollar nuevos tratamientos y comprender procesos biológicos fundamentales.
• Diagnóstico: Identificar enfermedades, monitorizar la salud del paciente y personalizar estrategias de tratamiento.
• Terapéutica: Terapias celulares, medicina regenerativa y trasplantes.
• Descubrimiento de fármacos: Evaluar posibles candidatos a fármacos y comprender los mecanismos de acción de los medicamentos.
• Conservación: Preservar especies en peligro de extinción y mantener la biodiversidad.

Técnicas comunes de biopreservación

Se emplean varios métodos de biopreservación, cada uno con sus propias ventajas y limitaciones. La elección del método depende del tipo de material biológico, la aplicación prevista y la duración del almacenamiento.

Criopreservación

La criopreservación implica enfriar materiales biológicos a temperaturas ultrabajas, generalmente utilizando nitrógeno líquido (-196 °C o -320 °F). A estas temperaturas, la actividad biológica se detiene eficazmente, lo que previene la degradación y permite el almacenamiento a largo plazo. Los aspectos clave de la criopreservación incluyen:

• Agentes crioprotectores (CPA): Estas sustancias, como el dimetilsulfóxido (DMSO) y el glicerol, se añaden al material para minimizar la formación de cristales de hielo durante la congelación y descongelación, que pueden dañar las células. La concentración y el tipo de CPA deben optimizarse cuidadosamente para cada tipo de célula y tejido.
• Congelación a velocidad controlada: Disminuir lentamente la temperatura a una velocidad controlada (p. ej., 1 °C por minuto) minimiza la formación de cristales de hielo dentro de las células. Se utiliza equipo especializado para lograr este enfriamiento controlado.
• Vitrificación: Una alternativa a la congelación lenta, la vitrificación implica enfriar rápidamente el material a un estado vítreo sin formación de cristales de hielo. Esto requiere altas concentraciones de CPA y velocidades de enfriamiento extremadamente rápidas.
• Almacenamiento: Las muestras se almacenan típicamente en congeladores de nitrógeno líquido o en la fase de vapor sobre el nitrógeno líquido. El monitoreo adecuado de la temperatura y los niveles de nitrógeno líquido es crucial para garantizar la integridad de la muestra.

Ejemplo: La criopreservación se utiliza ampliamente para almacenar células madre para trasplantes de médula ósea y aplicaciones de medicina regenerativa. Por ejemplo, las células madre hematopoyéticas se criopreservan de forma rutinaria para trasplantes autólogos (células del propio paciente) o alogénicos (células de un donante) para tratar leucemia, linfoma y otros trastornos sanguíneos. En Japón, los investigadores están explorando técnicas de criopreservación para preservar el germoplasma de especies en peligro de extinción.

Refrigeración

La refrigeración implica almacenar materiales biológicos a temperaturas superiores a la congelación, generalmente entre 2 °C y 8 °C (35 °F y 46 °F). Este método es adecuado para el almacenamiento a corto plazo de muestras que no requieren una preservación a largo plazo. Las consideraciones para la refrigeración incluyen:

• Control de temperatura: Mantener una temperatura estable dentro del rango especificado es esencial para prevenir la degradación.
• Esterilidad: Prevenir la contaminación microbiana es crucial para mantener la integridad de la muestra.
• Contenedores apropiados: Es importante utilizar contenedores adecuados para minimizar la evaporación y mantener la hidratación de la muestra.

Ejemplo: Las muestras de sangre para análisis clínicos de rutina se almacenan típicamente a 4 °C por períodos cortos antes de su procesamiento. De manera similar, algunas vacunas requieren refrigeración para mantener su eficacia.

Liofilización (secado por congelación)

La liofilización implica eliminar el agua de una muestra congelada mediante sublimación al vacío. Este proceso da como resultado un producto seco y estable que puede almacenarse a temperatura ambiente durante períodos prolongados. Los pasos clave en la liofilización incluyen:

• Congelación: La muestra se congela primero para solidificar el agua.
• Secado primario: El agua congelada se elimina luego por sublimación al vacío.
• Secado secundario: La humedad residual se elimina aumentando la temperatura al vacío.

Ejemplo: La liofilización se utiliza comúnmente para preservar bacterias, virus y proteínas con fines de investigación y diagnóstico. Por ejemplo, los cultivos bacterianos utilizados para el control de calidad en la fabricación farmacéutica a menudo se liofilizan para su almacenamiento y estabilidad a largo plazo.

Preservación química

La preservación química implica el uso de fijadores químicos, como formaldehído o glutaraldehído, para preservar muestras de tejido. Estos fijadores entrecruzan las proteínas y estabilizan las estructuras celulares, previniendo la degradación. Las consideraciones clave para la preservación química incluyen:

• Selección del fijador: La elección del fijador depende de la aplicación prevista. El formaldehído se utiliza comúnmente para la histología de rutina, mientras que el glutaraldehído se usa a menudo para la microscopía electrónica.
• Tiempo de fijación: La duración de la fijación es crucial para garantizar una preservación adecuada sin causar un daño excesivo.
• Condiciones de almacenamiento: Los tejidos fijados se almacenan típicamente en formalina o alcohol.

Ejemplo: Las biopsias de tejido para el diagnóstico de cáncer se fijan rutinariamente en formalina para preservar la morfología celular y permitir el examen microscópico.

Aplicaciones de la biopreservación

La biopreservación juega un papel crítico en una amplia gama de aplicaciones, incluyendo:

Biobancos

Los biobancos son repositorios que recolectan, procesan, almacenan y distribuyen muestras biológicas y datos asociados con fines de investigación. Son recursos esenciales para estudiar enfermedades, desarrollar nuevos diagnósticos y terapias, y avanzar en la medicina personalizada.

• Biobancos de población: Recolectan muestras y datos de grandes poblaciones para estudiar los factores genéticos y ambientales que contribuyen a las enfermedades. Ejemplos incluyen el Biobanco del Reino Unido y el Biobanco de Estonia.
• Biobancos específicos de enfermedades: Se centran en recolectar muestras y datos de pacientes con enfermedades específicas, como cáncer o diabetes.
• Biobancos clínicos: Integrados en los sistemas de atención médica, estos biobancos recolectan muestras y datos de pacientes que reciben atención clínica de rutina.

Medicina regenerativa

La medicina regenerativa tiene como objetivo reparar o reemplazar tejidos y órganos dañados utilizando células, biomateriales y factores de crecimiento. La biopreservación es crucial para almacenar células y tejidos para estas terapias.

• Terapia celular: Implica el trasplante de células en pacientes para tratar enfermedades. Por ejemplo, el trasplante de células madre para la leucemia y la terapia con células CAR-T para el cáncer.
• Ingeniería de tejidos: Implica la creación de tejidos y órganos funcionales en el laboratorio para su trasplante.

Descubrimiento de fármacos

Las células y tejidos biopreservados se utilizan en el descubrimiento de fármacos para detectar posibles candidatos a fármacos, comprender los mecanismos de acción de los medicamentos y evaluar la toxicidad de los fármacos.

• Cribado de alto rendimiento: Uso de sistemas automatizados para cribar grandes bibliotecas de compuestos contra dianas celulares.
• Estudios de metabolismo y farmacocinética de fármacos (DMPK): Investigar cómo se metabolizan y eliminan los fármacos del cuerpo.

Biología de la conservación

La biopreservación se utiliza para preservar el material genético de especies en peligro de extinción y mantener la biodiversidad.

• Criopreservación de esperma y óvulos: Preservar células reproductivas para la inseminación artificial y la fertilización in vitro.
• Criopreservación de embriones: Preservar embriones para futuros programas de cría.
• Bancos de ADN: Almacenar muestras de ADN para análisis genéticos y esfuerzos de conservación.

Control de calidad en la biopreservación

Mantener la calidad e integridad de los materiales biopreservados es esencial para garantizar resultados fiables en la investigación y la clínica. Las medidas clave de control de calidad incluyen:

• Protocolos estandarizados: Utilizar protocolos estandarizados para la recolección, procesamiento, almacenamiento y recuperación de muestras.
• Monitoreo de temperatura: Monitorear continuamente las temperaturas de almacenamiento para garantizar que las muestras se mantengan dentro del rango requerido.
• Ensayos de viabilidad: Evaluar la viabilidad y la actividad funcional de las células después de la descongelación.
• Pruebas de contaminación: Realizar pruebas regulares de las muestras para detectar contaminación microbiana.
• Gestión de datos: Mantener registros precisos y completos de todas las muestras y datos asociados.

Ejemplo: Los biobancos a menudo utilizan procedimientos operativos estandarizados (POE) basados en las mejores prácticas de organizaciones como la Sociedad Internacional de Repositorios Biológicos y Ambientales (ISBER) para garantizar una calidad de muestra consistente. Estos POE cubren todos los aspectos del biobanco, desde la recolección y el procesamiento de muestras hasta el almacenamiento y la distribución.

Consideraciones éticas en la biopreservación

La biopreservación plantea varias consideraciones éticas, incluyendo:

• Consentimiento informado: Obtener el consentimiento informado de los donantes antes de recolectar y almacenar sus muestras biológicas. El consentimiento debe explicar claramente el propósito de la investigación, los posibles riesgos y beneficios, y el derecho del donante a retirar sus muestras.
• Privacidad y confidencialidad: Proteger la privacidad y confidencialidad de la información personal de los donantes.
• Seguridad de los datos: Garantizar la seguridad de los datos asociados con las muestras biológicas.
• Propiedad y acceso: Establecer pautas claras para la propiedad y el acceso a las muestras biológicas y los datos.
• Comercialización: Abordar las implicaciones éticas de la comercialización de muestras y datos biológicos.

Ejemplo: Muchos países han implementado regulaciones para proteger los derechos de los participantes de biobancos y garantizar la conducta ética de la investigación en biobancos. Estas regulaciones abordan cuestiones como el consentimiento informado, la privacidad de los datos y el acceso a muestras y datos.

Tendencias futuras en biopreservación

El campo de la biopreservación está en constante evolución, con investigaciones en curso centradas en mejorar las técnicas existentes y desarrollar nuevos métodos. Algunas tendencias clave incluyen:

• Automatización: Automatizar los procesos de biopreservación para mejorar la eficiencia y reducir la variabilidad.
• Microfluídica: Usar dispositivos microfluídicos para un control preciso sobre las tasas de congelación y descongelación.
• Nanotecnología: Desarrollar nanopartículas para administrar agentes crioprotectores y mejorar la supervivencia celular.
• Bioimpresión: Combinar la biopreservación con la bioimpresión para crear tejidos y órganos funcionales.
• IA y aprendizaje automático: Utilizar la IA y el aprendizaje automático para optimizar los protocolos de biopreservación y predecir la calidad de la muestra.

Estándares y directrices internacionales

Varias organizaciones internacionales proporcionan estándares y directrices para la biopreservación con el fin de garantizar la coherencia y la calidad en diferentes biobancos e instituciones de investigación. Estas incluyen:

• Sociedad Internacional de Repositorios Biológicos y Ambientales (ISBER): Publica las mejores prácticas para biobancos y biopreservación.
• Red Mundial de Biobancos (WBAN): Una red global de biobancos que promueve la colaboración y la estandarización.
• Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST): Desarrolla estándares y materiales de referencia para la biopreservación.
• Estándares ISO: La Organización Internacional de Normalización (ISO) ha desarrollado estándares relacionados con los biobancos y la biopreservación, como la ISO 20387:2018 Biotecnología — Biobancos — Requisitos generales para los biobancos.

Desafíos en la biopreservación

A pesar de los avances significativos, la biopreservación todavía enfrenta varios desafíos:

• Formación de cristales de hielo: La formación de cristales de hielo durante la congelación y descongelación puede dañar células y tejidos.
• Toxicidad de los agentes crioprotectores: Los agentes crioprotectores pueden ser tóxicos para las células en altas concentraciones.
• Vida útil limitada: Algunos materiales biopreservados tienen una vida útil limitada, incluso en condiciones óptimas de almacenamiento.
• Costo: La biopreservación puede ser costosa, especialmente para el almacenamiento a largo plazo de un gran número de muestras.
• Estandarización: La falta de estandarización entre diferentes biobancos e instituciones de investigación puede dificultar la comparación de resultados.

Conclusión

La biopreservación es un campo crítico con implicaciones de gran alcance para la investigación biomédica, el diagnóstico y la terapéutica. Al comprender los principios, técnicas, aplicaciones y consideraciones éticas que rodean la biopreservación, los investigadores y médicos pueden utilizar eficazmente los materiales biológicos para avanzar en el conocimiento científico y mejorar la salud humana. A medida que la tecnología continúa avanzando, las técnicas de biopreservación se volverán aún más sofisticadas, permitiendo la preservación de materiales biológicos por períodos más largos y con mayor fidelidad. Esto allanará el camino para nuevos descubrimientos e innovaciones en la medicina y más allá.

Esta guía proporciona una comprensión fundamental de la biopreservación. Para aplicaciones específicas y protocolos detallados, se recomienda encarecidamente consultar a expertos y referirse a la literatura científica pertinente. La investigación y el desarrollo continuos en la biopreservación son esenciales para superar los desafíos existentes y liberar todo el potencial de este campo transformador.