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Durante años, los científicos han predicho que la impresión en 3D, que se ha utilizado para fabricar juguetes, casas, Las herramientas científicas e incluso un conejito de plástico que contenía un código de ADN para su propia replicación podrían algún día ser aprovechados para imprimir partes vivas del cuerpo humano para mitigar la escasez de órganos de donantes. Hasta ahora, los investigadores también utilizaron la impresión 3D en medicina y odontología para crear implantes dentales, prótesis y modelos para que los cirujanos practiquen antes de hacer cortes en un paciente. Pero muchos investigadores han ido más allá de la impresión con plásticos y metales, imprimiendo con células que luego forman tejidos humanos vivos.
Nadie ha impreso órganos humanos trasplantables completamente funcionales todavía, pero los científicos se están acercando, haciendo pedazos de tejido. que se pueden usar para probar fármacos y diseñar métodos para superar los desafíos de recrear la biología compleja del cuerpo.
Primeros pasos
Una imagen de microscopía confocal que muestra células madre impresas en 3D que se diferencian en células óseasLEWIS LAB, INSTITUTO WYSS DE LA UNIVERSIDAD DE HARVARD
La primera impresora 3D se desarrolló a fines de la década de 1980. Podría imprimir pequeños objetos diseñados con software de diseño asistido por computadora (CAD). Un diseño se cortaría virtualmente en capas de solo tres milésimas de milímetro de espesor. Luego, el impresor uniría ese diseño en el producto completo.
Había dos estrategias principales que un impresor podría usar para establecer el patrón: podría extruir una pasta a través de una punta muy fina, imprimiendo el diseño comenzando con la capa inferior y trabajando hacia arriba con cada capa apoyada en las capas anteriores. Alternativamente, podría comenzar con un recipiente lleno de resina y usar un láser puntiagudo para solidificar porciones de esa resina para crear un objeto sólido de arriba hacia abajo, que sería levantado y retirado de la resina circundante.
Cuando se trata de imprimir células y biomateriales para hacer réplicas de partes y órganos del cuerpo, se aplican estas mismas dos estrategias, pero la capacidad de trabajar con materiales biológicos de esta manera ha requerido el aporte de biólogos celulares, ingenieros, biólogos del desarrollo, científicos de materiales y otros.
Hasta ahora, los científicos han impreso mini organoides y modelos microfluídicos de tejidos, también conocidos como órganos en chips. Ambos han arrojado conocimientos prácticos y teóricos sobre la función del cuerpo humano. Las compañías farmacéuticas utilizan algunos de estos modelos para probar medicamentos antes de pasar a estudios en animales y, finalmente, a ensayos clínicos. Un grupo, por ejemplo, imprimió células cardíacas en un chip y lo conectó a un biorreactor antes de usarlo para probar la toxicidad cardíaca de un conocido fármaco contra el cáncer, la doxorrubicina. El equipo demostró que la tasa de latidos de las células disminuyó drásticamente después de la exposición a la droga.
Sin embargo, los científicos aún tienen que construir órganos que realmente repliquen la miríada de características estructurales y funciones de los tejidos humanos. Hay una serie de empresas que están intentando hacer cosas como orejas impresas en 3D, y los investigadores ya informaron que trasplantaron orejas impresas en 3D a niños que tenían defectos de nacimiento que dejaron sus oídos subdesarrollados, señala Robby Bowles, bioingeniero de la Universidad de Utah. Los trasplantes de oído son, dice, la primera prueba de concepto de la impresión 3D para la medicina.
Los investigadores han estado utilizando técnicas de impresión 3D con la esperanza de desarrollar tejidos que puedan trasplantarse a humanos. Algunos tejidos impresos, como la piel y los huesos, ya se están probando en humanos, mientras que muchos otros se encuentran en etapas tempranas de desarrollo. a partir de la impresión de tejidos y órganos más complejos que pueden trasplantarse a organismos vivos. Pero, para muchos científicos, ese es precisamente el objetivo. A partir de febrero de 2020, más de 112 000 personas en los EE. UU. esperan un trasplante de órganos, según United Network for Organ Sharing. Alrededor de 20 de ellos mueren cada día.
Durante muchos años, los ingenieros biológicos han tratado de construir andamios tridimensionales que podrían sembrar con células madre que eventualmente se diferenciarían y crecerían en formas de órganos, pero para en gran medida, esas técnicas no te permiten introducir la organización de los gradientes y el patrón que hay en el tejido, dice Bowles. No hay control sobre dónde van las células en ese tejido. Por el contrario, la impresión 3D permite a los investigadores dirigir con mucha precisión la ubicación de las células, una hazaña que podría conducir a un mejor control sobre el desarrollo de órganos.
Diferenciación
Idealmente, la impresión 3D los órganos se construirían a partir de células que el sistema inmunológico de un paciente podría reconocer como propias, para evitar el rechazo inmunológico y la necesidad de que los pacientes tomen medicamentos inmunosupresores. Dichos órganos podrían potencialmente construirse a partir de células madre pluripotentes inducidas específicas del paciente, pero un desafío es lograr que las células se diferencien en el subtipo de célula madura que se necesita para construir un órgano en particular. La dificultad es unir y producir patrones complejos de células y biomateriales juntos para producir diferentes funciones de los diferentes tejidos y órganos, dice Bowles.
Para imitar los patrones observados in vivo, los científicos imprimen células en hidrogeles. u otros entornos con señales moleculares y gradientes diseñados para persuadir a las células para que se organicen en órganos reales. Los científicos también pueden usar la impresión 3D para construir estos hidrogeles. Con otras técnicas, los patrones logrados han sido típicamente bidimensionales, Eben Alsberg, un bioingeniero de la Universidad de Illinois, le dice a The Scientist en un correo electrónico. La bioimpresión tridimensional permite mucho más control sobre la presentación de señales en 3D.
Hasta ahora, los investigadores han creado parches de tejido que imitan partes de ciertos órganos, pero no han logrado replicar la complejidad o la densidad celular de un órgano completo. Pero es posible que en algunos pacientes, incluso un parche sea un tratamiento eficaz. A finales de 2016, una empresa llamada Organovo anunció el inicio de un programa para desarrollar tejido hepático impreso en 3D para trasplantes humanos después de que un estudio mostrara que los parches trasplantados de células hepáticas impresas en 3D se injertaban con éxito en un modelo de ratón de una genética enfermedad hepática y potenció varios biomarcadores que sugerían una mejora en la función hepática.
Vasculatura
Recién en los últimos años los investigadores comenzaron a avanzar con uno de los mayores desafíos en la impresión 3 -D organos: creacion de vasculatura. Después de injertar los parches en el hígado de los ratones en el estudio de Organovo, el tejido hepático circundante le administró sangre, pero un órgano completo tendría que estar preparado para el flujo sanguíneo. </p
Para que las células se mantengan vivas, [el órgano] necesita ese suministro de sangre, por lo que no puede ser solo este enorme trozo de tejido, dice Courtney Gegg, directora sénior de ingeniería de tejidos en Prellis Biologics, que fabrica y vende andamios. para soportar tejido impreso en 3-D. Ese ha sido reconocido como uno de los problemas clave.
Mark Skylar-Scott, un bioingeniero del Instituto Wyss, dice que el problema ha frenado la ingeniería de tejidos durante décadas. Pero en 2018, Sbastian Uzel, Skylar-Scott y un equipo del Instituto Wyss lograron imprimir en 3D un pequeño ventrículo del corazón que late completo con vasos sanguíneos. Unos días después de imprimir el tejido, Uzel dice que fue al laboratorio y encontró un trozo de tejido que se retorcía, lo cual fue a la vez muy aterrador y emocionante.
Para que las células se mantengan vivas, [el órgano] necesita ese suministro de sangre, por lo que no puede ser solo este enorme trozo de tejido.
Courtney Gegg, Prellis Biologics
En lugar de imprimir las venas en capas, el equipo utilizó una técnica de impresión incrustada en la que , en lugar de construir desde la parte inferior de un tobogán hacia arriba, el material se extruye directamente en un baño o matriz. Esta estrategia, que permite a los investigadores imprimir formas libres en 3D, dice Skylar-Scott, en lugar de tener que imprimir cada capa una encima de la otra para sostener la estructura, es una forma más eficiente de imprimir un árbol vascular. La matriz en este caso era el material celular que formaba el ventrículo del corazón. Una tinta similar a la gelatina apartó suavemente estas células para crear una red de canales. Una vez finalizada la impresión, se calentó la combinación. Este calor hizo que la matriz celular se solidificara, pero la gelatina se licuara para luego enjuagarse, dejando espacio para que la sangre fluya.
Pero eso no significa que el problema esté completamente resuelto. El ventrículo del equipo del Instituto Wyss tenía vasos sanguíneos, pero no tantos como un corazón de tamaño completo. Gegg señala que para imitar verdaderamente la biología humana, una célula individual deberá estar a 200 micrones de su suministro de sangre más cercano. . . . Todo tiene que estar muy, muy cerca. Eso es mucho más complejo de lo que los investigadores han impreso hasta ahora.
Debido a los obstáculos para agregar vasculatura y muchos otros desafíos que aún enfrentan los tejidos impresos en 3D, los órganos construidos en laboratorio no estarán disponibles para trasplantes en el corto plazo. Mientras tanto, la impresión en 3D de porciones de tejido está ayudando a acelerar la investigación básica y clínica sobre el cuerpo humano.
Emma Yasinski es una reportera independiente con sede en Florida. Síguela en Twitter @EmmaYas24.