Con la ayuda de la impresión 3D y el electrospinning, un equipo de bioingenieros del Instituto de Medicina Regenerativa Wake Forest, dirigido por Anthony Atala, está cultivando tejidos y órganos viables para los pacientes. Si bien muchos de estos órganos impresos en 3D permanecen en la etapa de investigación, algunos deben estar listos para pruebas clínicas dentro de un año o dos.Durante más de 25 años, Atala ha estado trabajando en la generación de células de tejido en el laboratorio. Desde dedos y orejas hasta riñones y corazones, su equipo ahora puede crear 40 estructuras de órganos y tejidos diferentes.

¿Qué es el Electrospinning?

Estos procedimientos comienzan tomando una pequeña muestra de las células del paciente del área que los bioingenieros están tratando de recrear. Por ejemplo, para la piel, solo necesitan un injerto del tamaño de un sello postal. Luego, dentro de un biorreactor, replican esas células hasta que haya suficiente para hacer crecer el órgano.

Las bioimpresoras 3D depositan diferentes tipos de células de la misma manera que una impresora 3D a color deposita diferentes tipos de polímero. Foto: Wake Forest

El siguiente paso es construir la matriz extracelular, o andamio, en el que se forman las células. El equipo luego siembra la matriz con promotores de crecimiento y productos bioquímicos que impulsan a las células a desarrollarse de maneras específicas. La matriz también proporciona fuerzas mecánicas que dan forma al desarrollo celular.Para hacer estructuras, como la piel o los vasos sanguíneos, el laboratorio utiliza electrospinning, una técnica de impresión 3D que se asemeja a las máquinas utilizadas para convertir el azúcar en algodón de azúcar.Los bioingenieros utilizan esta técnica para hacer girar un polímero de hidrogel a altas velocidades, forzando al polímero a alargarse en largas hebras de fibra. Luego colocan una varilla delgada en el centro de la máquina. Las fibras de hidrogel se adhieren a la varilla al igual que el algodón de azúcar esponjoso se adhiere a un cono de papel. Los científicos manipulan la forma del polímero esponjoso variando el voltaje hasta que imitan la estructura que están creando.
Lectura adicional: Impresión 3D de Piel viva con vasos sanguíneos Una vez que los investigadores logran la forma deseada, rocían células del biorreactor sobre la matriz, superponiéndolas repetitivamente para que coincidan con las estructuras naturales. Para recrear la piel, por ejemplo, comenzarían aplicando células de la capa subcutánea y luego las de la dermis y la epidermis.Una vez en capas sobre la matriz, la estructura se coloca en una incubadora que imita las condiciones del cuerpo humano. Allí, esta combinación de matriz, bioquímicos y células comienza a tomar vida propia, utilizando la matriz como guía.Aunque esta técnica es perfecta para estructuras simples y ligeras, como la piel y los vasos sanguíneos, carece de la precisión y la capacidad de crear estructuras tridimensionales sólidas como un corazón.

Cómo Imprimir Órganos Sólidos?

Para crear un órgano sólido, los investigadores necesitan una forma de promover el crecimiento de los vasos sanguíneos para que cada célula del órgano reciba el oxígeno y los nutrientes y pueda eliminar los desechos. La creación de estos árboles de vasos sanguíneos, que se ramifican de grandes arterias a los vasos más pequeños, ha dejado perplejos a los investigadores durante décadas. Sin embargo, el equipo de Atala ha desarrollado un par de soluciones potenciales.

Una de las varias impresoras 3D diseñadas para imprimir celdas. Foto: Wake Forest

La primera solución comienza con un órgano donante existente, como un hígado. En primer lugar, los bioingenieros de Wake Forest lo colocan en una coctelera, al igual que una lavadora, con detergentes suaves durante aproximadamente dos semanas.»Después de pasar por el agitador, se podía sostener el órgano y se vería y se sentiría como el órgano, pero no tendría células», dijo Atala. «Esencialmente, habíamos preservado el esqueleto del órgano.»Este esqueleto está hecho de colágeno, una proteína que se encuentra en el tejido conectivo del cuerpo y sus matrices extracelulares. Al igual que la matriz electrospun, la matriz de colágeno proporciona la estructura y las fuerzas mecánicas que las células necesitan para dividirse y asumir funciones relacionadas con los órganos. El esqueleto del órgano se deposita con las células hepáticas del paciente, que repoblan el órgano, devolviéndolo a la vida con muchas de las funciones de un hígado humano.Aunque este método es prometedor, todavía significa esperar un órgano de donante con el que trabajar. La impresión 3D puede ofrecer una forma de evitarlo. Este método requiere mucha más comprensión del órgano en sí, pero promete liberar a los pacientes de la espera de un órgano donado.
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«Están pasando tantas cosas en un órgano como el corazón que no podemos ver a menos que empecemos de cero», dijo Atala. «Estamos mirando la estructura desde una perspectiva de 360 grados para asegurarnos de que podamos replicar la funcionalidad del órgano de todas las maneras posibles, o no sobrevivirá.»Una forma de hacerlo es seguir construyendo órganos y aprender de las construcciones. Con ese fin, Atala y su equipo han diseñado más de una docena de impresoras para llevar a cabo los complejos procesos de construcción de un órgano sólido. Las impresoras funcionan como impresoras de chorro de tinta a color, pero en lugar de tinta, sus cartuchos contienen celdas separadas por tipo.Para empezar, la bioimpresora está cargada con información sobre el paciente y los órganos, un plan de qué construir. A través de un sistema de boquillas, la impresora deposita capas de células en forma de gel grueso. Esto genera lentamente la estructura orgánica mientras preserva la vida de las células incrustadas dentro de ella.Mientras el equipo sigue dominando esta forma topográfica de ingeniería, la impresión 3D da a los investigadores la oportunidad de trabajar en los detalles. A través de ensayo y error, han estado programando con éxito las impresoras para depositar incluso los vasos sanguíneos más pequeños dentro de un órgano complejo.

¿La Bioimpresión 3D es el Futuro del Trasplante de Órganos?

No importa cuál de estas técnicas utilice el equipo, se necesitan entre cuatro y seis semanas para construir un reemplazo saludable para un paciente. Debido a que el tejido u órgano de reemplazo está hecho de las propias células del paciente, prácticamente no hay probabilidad de rechazo, lo que significa que los pacientes se curan más rápido que nunca y no necesitan tomar medicamentos para evitar que su sistema inmunitario ataque el trasplante.
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«Poder crear estas estructuras con las propias células de un paciente para que realmente puedan adaptarse y curarse, esa es nuestra esperanza», dijo Atala. «Queremos asegurarnos de que podemos llegar a tantos pacientes como podemos.»Atala dice que las estructuras más simplificadas, como la piel y los vasos sanguíneos, ya han tenido ensayos exitosos en humanos y estarán en la clínica dentro de un par de años. Los órganos sólidos tardarán mucho más.Ha sido un viaje extraordinario para Atala y sus avances han sentado las bases y la base de conocimientos para una generación exitosa de tejido celular humano.Cassie Kelly es una escritora de ingeniería y medio ambiente con sede en Columbus, Ohio.Inscríbase hoy en AM Medical: 27 y 28 de mayo de 2020 en Minneapolis, MN