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Durante años, los científicos han predicho que la impresión en 3D -que se ha utilizado para fabricar juguetes, casas, herramientas científicas e incluso un conejito de plástico que contenía un código de ADN para su propia replicación- podría aprovecharse algún día para imprimir partes del cuerpo humano vivo para mitigar la escasez de órganos de donantes. Hasta ahora, los investigadores también han utilizado la impresión 3D en medicina y odontología para crear implantes dentales, prótesis y modelos para que los cirujanos practiquen antes de realizar cortes en un paciente. Pero muchos investigadores han ido más allá de la impresión con plásticos y metales: imprimen con células que luego forman tejidos humanos vivos.
Nadie ha imprimido todavía órganos humanos totalmente funcionales y trasplantables, pero los científicos se están acercando, fabricando trozos de tejido que pueden utilizarse para probar fármacos y diseñando métodos para superar los retos de recrear la compleja biología del cuerpo.
Primeros pasos
La primera impresora 3D se desarrolló a finales de la década de 1980. Podía imprimir pequeños objetos diseñados con programas de diseño asistido por ordenador (CAD). Un diseño se cortaba virtualmente en capas de sólo tres milésimas de milímetro de grosor. A continuación, la impresora podía convertir ese diseño en el producto completo.
Había dos estrategias principales que una impresora podía utilizar para establecer el patrón: podía extrudir una pasta a través de una punta muy fina, imprimiendo el diseño empezando por 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 utilizar un láser puntiagudo para solidificar porciones de esa resina para crear un objeto sólido de arriba hacia abajo, que se levantaría y retiraría de la resina circundante.
Cuando se trata de imprimir células y biomateriales para hacer réplicas de partes del cuerpo y órganos, se aplican estas dos mismas estrategias, pero la capacidad de trabajar con materiales biológicos de esta manera ha requerido la aportación 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 aportado conocimientos prácticos y teóricos sobre el funcionamiento del cuerpo humano. Algunos de estos modelos son utilizados por las empresas farmacéuticas para probar medicamentos antes de pasar a los estudios con animales y, finalmente, a los ensayos clínicos. Un grupo, por ejemplo, imprimió células cardíacas en un chip y lo conectó a un biorreactor antes de utilizarlo para probar la toxicidad cardíaca de un conocido medicamento contra el cáncer, la doxorrubicina. El equipo demostró que el ritmo de latido de las células disminuía drásticamente tras la exposición al fármaco.
Sin embargo, los científicos aún no han construido órganos que reproduzcan realmente las innumerables características estructurales y funciones de los tejidos humanos. «Hay varias empresas que están intentando hacer cosas como imprimir orejas en 3D», y los investigadores ya han informado del trasplante de orejas impresas en 3D a niños que tenían defectos de nacimiento que dejaban sus orejas subdesarrolladas, señala Robby Bowles, bioingeniero de la Universidad de Utah. Los trasplantes de orejas son, según él, «una especie de primera prueba de concepto de la impresión en 3D para la medicina»
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Bowles añade que los investigadores aún están «muy lejos» de imprimir tejidos y órganos más complejos que puedan ser trasplantados a organismos vivos. Pero, para muchos científicos, ese es precisamente el objetivo. En febrero de 2020, más de 112.000 personas en Estados Unidos esperaban un trasplante de órganos, según la Red Unida para la Compartición de Órganos. Unas 20 mueren cada día.
Durante muchos años, los ingenieros biológicos han intentado construir andamios tridimensionales que pudieran sembrar con células madre que finalmente se diferenciarían y crecerían en las formas de los órganos, pero «en gran medida esas técnicas no te permiten introducir el tipo de 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 en 3D permite a los investigadores dirigir con gran precisión la colocación de las células, una hazaña que podría conducir a un mejor control del desarrollo de los órganos.
Diferenciación
En principio, los órganos impresos en 3D se construirían a partir de células que el sistema inmunitario del paciente pudiera reconocer como propias, para evitar el rechazo inmunitario y la necesidad de que los pacientes tomen fármacos inmunosupresores. Estos órganos podrían construirse a partir de células madre pluripotentes inducidas específicas del paciente, pero uno de los retos es conseguir que las células se diferencien en el subtipo de célula madura que se necesita para construir un órgano concreto. «La dificultad estriba en reunir y producir patrones complejos de células y biomateriales para producir las diferentes funciones de los distintos tejidos y órganos», afirma Bowles.
Para imitar los patrones observados in vivo, los científicos imprimen las células en hidrogeles u otros entornos con señales moleculares y gradientes diseñados para convencer a las células de que se organicen en órganos similares a los reales. Los científicos también pueden utilizar la impresión 3D para construir estos hidrogeles. Con otras técnicas, «los patrones conseguidos han sido típicamente bidimensionales», explica a The Scientist Eben Alsberg, bioingeniero de la Universidad de Illinois, en un correo electrónico. «La bioimpresión tridimensional permite controlar mucho más la presentación de las señales en 3D».
Hasta ahora, los investigadores han creado parches de tejido que imitan porciones 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 en humanos después de que un estudio demostrara que los parches trasplantados de células hepáticas impresas en 3D se injertaban con éxito en un modelo de ratón de una enfermedad hepática genética y potenciaban varios biomarcadores que sugerían una mejora de la función hepática.
Vasculatura
Solo en los últimos años los investigadores han empezado a avanzar en uno de los mayores retos de la impresión de órganos en 3D: la creación de vasculatura. Después de que los parches se injertaran en el hígado del ratón en el estudio de Organovo, la sangre le llegaba a través del tejido hepático circundante, pero un órgano entero tendría que venir preparado para el flujo sanguíneo.
«Para que cualquier célula se mantenga viva, necesita ese suministro de sangre, por lo que no puede ser simplemente este enorme trozo de tejido», dice Courtney Gegg, un director senior de ingeniería de tejidos en Prellis Biologics, que fabrica y vende andamios para apoyar el tejido impreso en 3D. «Eso ha sido reconocido como uno de los problemas clave».
Mark Skylar-Scott, bioingeniero del Instituto Wyss, dice que el problema ha «frenado la ingeniería de tejidos durante décadas». Pero en 2018, Sébastian Uzel, Skylar-Scott y un equipo del Instituto Wyss lograron imprimir en 3D un diminuto ventrículo cardíaco que latía, completo con vasos sanguíneos. Unos días después de imprimir el tejido, Uzel dice que llegó al laboratorio para encontrar un trozo de tejido que se movía, lo que fue «muy aterrador y emocionante a la vez».»
Para que cualquier célula se mantenga viva, 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 la impresión incrustada, una técnica en la que, en lugar de construir desde el fondo de un portaobjetos hacia arriba, el material se extruye directamente en un baño, o matriz. Esta estrategia, que permite a los investigadores imprimir «de forma libre en 3D», dice Skylar-Scott, en lugar de tener que imprimir cada capa una sobre 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 empujaba estas células suavemente para crear una red de canales. Una vez terminada la impresión, se calentó la combinación. Este calor hizo que la matriz celular se solidificara, pero que la gelatina se licuara para que luego pudiera ser enjuagada, dejando espacio para que la sangre fluyera a través de ella.
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 realmente la biología humana, «una célula individual tendrá que estar a menos de 200 micras de su suministro de sangre más cercano. . . . Todo tiene que estar muy, muy cerca». Eso es mucho más complejo que lo que los investigadores han impreso hasta ahora.
Debido a los obstáculos para añadir la vasculatura y a muchos otros retos a los que todavía se enfrentan los tejidos impresos en 3D, los órganos construidos en laboratorio no estarán disponibles para el trasplante en breve. Mientras tanto, la impresión de porciones de tejido en 3D 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.