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Há anos que os cientistas prevêem que a impressão em 3-D – que tem sido usada para fazer brinquedos, casas, ferramentas científicas e até mesmo um coelho de plástico que continha um código de DNA para a sua própria replicação – poderia um dia ser aproveitada para imprimir partes vivas do corpo humano para mitigar a escassez de órgãos doadores. Até agora, os pesquisadores também usaram a impressão em 3-D na medicina e odontologia para criar implantes dentários, próteses e modelos para os cirurgiões praticarem antes de fazer cortes em um paciente. Mas muitos pesquisadores foram além da impressão com plásticos e metal – impressão com células que então formam tecidos humanos vivos.
Ninguém ainda imprimiu órgãos humanos totalmente funcionais e transplantáveis, mas os cientistas estão se aproximando, fazendo pedaços de tecido que podem ser usados para testar drogas e projetando métodos para superar os desafios de recriar a biologia complexa do corpo.
Primeiros passos
A primeira impressora em 3-D foi desenvolvida no final dos anos 80. Ela podia imprimir pequenos objectos desenhados usando software de desenho assistido por computador (CAD). Um desenho seria praticamente cortado em camadas de apenas três milésimos de milímetro de espessura. Em seguida, a impressora incorporaria esse desenho no produto completo.
Existiam duas estratégias principais que uma impressora poderia usar para estabelecer o padrão: ela poderia extrudar uma pasta através de uma ponta muito fina, imprimindo o desenho começando com a camada inferior e trabalhando para cima com cada camada sendo suportada pelas camadas anteriores. Alternativamente, poderia começar com um recipiente cheio de resina e usar um laser pontiagudo para solidificar porções dessa resina para criar um objeto sólido de cima para baixo, que seria levantado e removido da resina ao redor.
Quando se trata de imprimir células e biomateriais para fazer réplicas de partes do corpo e órgãos, estas mesmas duas estratégias se aplicam, mas a capacidade de trabalhar com materiais biológicos desta forma tem exigido a entrada de biólogos celulares, engenheiros, biólogos de desenvolvimento, cientistas de materiais, e outros.
Até agora, os cientistas têm impresso mini organóides e modelos microfluídicos de tecidos, também conhecidos como órgãos em chips. Ambos produziram insights práticos e teóricos sobre a função do corpo humano. Alguns desses modelos são usados por empresas farmacêuticas para testar drogas antes de passar para estudos em animais e eventualmente ensaios clínicos. Um grupo, por exemplo, imprimiu células cardíacas em um chip e as conectou a um biorreator antes de usá-lo para testar a toxicidade cardíaca de um conhecido medicamento contra o câncer, a doxorubicina. A equipe mostrou que a taxa de batimentos das células diminuiu drasticamente após a exposição ao medicamento.
No entanto, os cientistas ainda não construíram órgãos que reproduzam verdadeiramente as inúmeras características estruturais e funções dos tecidos humanos. “Há uma série de empresas que estão tentando fazer coisas como orelhas impressas em 3-D”, e pesquisadores já relataram o transplante de orelhas impressas em 3-D em crianças que tiveram defeitos de nascença que deixaram suas orelhas subdesenvolvidas, observa Robby Bowles, um bioengenheiro da Universidade de Utah. Os transplantes de orelha são, diz ele, “a primeira prova de conceito da impressão em 3D para a medicina”
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Bowles acrescenta que os pesquisadores ainda estão “a uma maneira” de imprimir tecidos e órgãos mais complexos que podem ser transplantados em organismos vivos. Mas, para muitos cientistas, esse é precisamente o objectivo. Em fevereiro de 2020, mais de 112.000 pessoas nos EUA estão esperando por um transplante de órgãos, de acordo com a Rede Unida de Compartilhamento de Órgãos. Cerca de 20 delas morrem a cada dia.
Durante muitos anos, engenheiros biológicos tentaram construir andaimes tridimensionais que pudessem semear com células-tronco que eventualmente se diferenciariam e cresceriam nas formas de órgãos, mas “em grande medida essas técnicas não permitem introduzir o tipo de organização de gradientes e o patterning que está no tecido”, diz Bowles. “Não há controle sobre para onde as células vão nesse tecido.” Em contraste, a impressão em 3-D permite aos pesquisadores direcionar com muita precisão a colocação das células – um feito que poderia levar a um melhor controle sobre o desenvolvimento dos órgãos.
Diferenciação
Idealmente, os órgãos impressos em 3-D seriam construídos a partir de células que o sistema imunológico de um paciente poderia reconhecer como próprias, para evitar a rejeição imunológica e a necessidade de os pacientes tomarem drogas imunossupressoras. Tais órgãos poderiam ser potencialmente construídos a partir de células estaminais pluripotentes induzidas por pacientes específicos, mas um desafio é conseguir que as células se diferenciem no subtipo de célula madura que é necessária para construir um órgão em particular. “A dificuldade é como que juntar-se e produzir padrões complexos de células e biomateriais juntos para produzir diferentes funções dos diferentes tecidos e órgãos”, diz Bowles.
Para imitar os padrões vistos in vivo, os cientistas imprimem células em hidrogéis ou outros ambientes com sinais moleculares e gradientes desenhados para coaxar as células para se organizarem em órgãos realistas. Os cientistas também podem usar a impressão em 3-D para construir estes hidrogéis. Com outras técnicas, “os padrões alcançados têm sido tipicamente bidimensionais”, diz Eben Alsberg, um bioengenheiro da Universidade de Illinois, ao The Scientist em um e-mail. “A bioimpressão tridimensional permite muito mais controle sobre a apresentação do sinal em 3D”.
Até agora, os pesquisadores criaram manchas de tecido que imitam porções de certos órgãos mas não conseguiram replicar a complexidade ou densidade celular de um órgão completo. Mas é possível que em alguns pacientes, mesmo um remendo seria um tratamento eficaz. No final de 2016, uma empresa chamada Organovo anunciou o início de um programa para desenvolver tecido hepático 3-D impresso para transplantes humanos após um estudo ter mostrado que manchas transplantadas de células hepáticas 3-D impressas com sucesso foram enxertadas num modelo de rato de uma doença hepática genética e impulsionaram vários biomarcadores que sugeriram uma melhoria na função hepática.
Vasculatura
Apenas nos últimos anos os investigadores começaram a avançar com um dos maiores desafios na impressão de órgãos 3-D: criar vasculatura. Após os adesivos terem sido enxertados no fígado do rato no estudo Organovo, o sangue foi-lhe entregue pelo tecido hepático circundante, mas um órgão inteiro teria de vir preparado para o fluxo de sangue.
“Para que qualquer célula permaneça viva, precisa desse suprimento de sangue, portanto não pode ser apenas esse enorme pedaço de tecido”, diz Courtney Gegg, diretora sênior de engenharia de tecidos da Prellis Biologics, que fabrica e vende andaimes para suportar tecido impresso em 3-D. “Essa tem sido reconhecida como uma das questões-chave.”
Mark Skylar-Scott, um bioengenheiro do Instituto Wyss, diz que o problema tem “retido a engenharia de tecidos durante décadas”. Mas em 2018, Sébastian Uzel, Skylar-Scott, e uma equipe do Instituto Wyss conseguiram imprimir em 3-D um minúsculo ventrículo cardíaco com vasos sangüíneos que batia. Alguns dias depois de imprimir o tecido, Uzel diz que veio ao laboratório para encontrar um pedaço de tecido que se mexia, o que era “muito aterrador e excitante”
Para que qualquer célula permaneça viva, precisa desse suprimento de sangue, então não pode ser apenas esse enorme pedaço de tecido.
-Courtney Gegg, Prellis Biologics
Em vez de imprimir as veias em camadas, a equipe usou a técnica de impressão embutida – uma técnica na qual, em vez de construir a partir do fundo de uma lâmina para cima, o material é extrudido diretamente em um banho, ou matriz. Esta estratégia, que permite aos pesquisadores imprimir “forma livre em 3-D”, diz Skylar-Scott, ao invés de ter que imprimir cada camada uma em cima da outra para suportar a estrutura, é uma forma mais eficiente de imprimir uma árvore vascular. A matriz, neste caso, foi o material celular que compõe o ventrículo cardíaco. Uma tinta semelhante à gelatina empurrou gentilmente estas células para fora do caminho para criar uma rede de canais. Uma vez terminada a impressão, a combinação foi aquecida. Este calor fez com que a matriz celular se solidificasse, mas a gelatina se liquefazia para depois ser enxaguada, deixando espaço para o sangue fluir através.
Mas isso não significa que o problema esteja completamente resolvido. A equipe do Instituto Wyss tinha vasos sanguíneos, mas não tanto quanto um coração de tamanho normal. Gegg aponta que para imitar verdadeiramente a biologia humana, “uma célula individual terá de estar a 200 microns do seu suprimento de sangue mais próximo. . . . Tudo tem de estar muito, muito próximo”. Isso é muito mais intrincado do que o que os pesquisadores têm impresso até agora.
Due to hurdles with adding vasculature and many other challenges that still face to 3-D-printed tissues, laby-built organs won’t be available for transplant anytime soon. Entretanto, a impressão em 3-D de porções de tecido está ajudando a acelerar a pesquisa básica e clínica sobre o corpo humano.
Emma Yasinski é uma repórter freelancer baseada na Flórida. Siga ela no Twitter @EmmaYas24.