Bioimpresión en 3D, 6 órganos y proyectos impresos en 3D
6 emocionantes órganos impresos en 3D y proyectos de bioimpresión 3D
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Cuando las personas mueren, no suele ser porque su cuerpo se apague, sino porque un órgano clave falla sin el que el cuerpo no puede sobrevivir. Los pacientes con insuficiencia cardíaca o renal grave necesitan trasplantes rápidos de órganos para sobrevivir. Ahí es donde entran los órganos impresos en 3D, como los corazones impresos en 3D.
Más de 120.000 personas esperan actualmente en las listas de espera de órganos en los EE.UU. El tiempo medio de espera para un trasplante es de 1.085 días para un corazón en el Reino Unido, y de 3,6 años para un trasplante de riñón en España. Puedes donar un riñón, pero no puedes donar un corazón, que generalmente proviene de pacientes con muerte cerebral.
No se garantiza que sobrevivas al tiempo de espera, por lo que la capacidad de bioimprimir órganos en 3D sería invaluable.
¿Qué es la bioimpresión 3D?
La Bioimpresión 3D, utiliza bioinks – materiales biocompatibles y células humanas – para crear tejidos vivos y estructuras de órganos de la misma manera que las piezas de plástico se imprimen en 3D, capa por capa.
Los plásticos bio-compatibles a veces se utilizan como «andamios», creando estructuras en las que las células humanas se insertan. Luego se cultivan en tejidos humanos completamente funcionales.
Estos tejidos impresos 3D vivos se utilizan actualmente para estudiar la función de los órganos humanos, así como para probar fármacos sin tener que usar humanos o animales. Muchos científicos creen que estamos cerca de crear órganos impresos en 3D totalmente funcionales y trasplantables con nuevas tecnologías de bioimpresión 3D.
La bioimpresión 3D utiliza «andamios» para estructurar, apoyar y formar tejidos a partir de células.
Historia de la bioimpresión 3D y la impresión de órganos 3D
El primer caso de un órgano impreso en 3D se logró en el Instituto Wake Forrest de Medicina Regenerativa en 1999. Los investigadores crearon un andamio artificial para una vejiga humana, y los seguimientos 10 años más tarde encontraron que el paciente no tenía complicaciones. Tres años más tarde, en 2002, los investigadores de Wake Forrest 3D imprimieron un riñón completamente funcional.
El primer bioimpresor 3D disponible comercialmente fue desarrollado en 2009 por Organovo, capaz de imprimir células humanas vivas en 3D por primera vez, y sin tener que construir primero un andamio. Poco después, este bioimpresor creó un vaso sanguíneo biodegradable sin andamio.
Más recientemente, en 2019, investigadores israelíes bioimprimieron un corazón en miniatura capaz de contraerse como lo hacen los corazones reales, con una red de vasos sanguíneos para contraer como lo hacen nuestros corazones, y construido anatómicamente como corazones humanos. Este corazón del tamaño de un conejo probablemente formará la base para futuras investigaciones sobre la impresión en 3D de órganos humanos.
Investigaciones adicionales también incluyen el trabajo de los investigadores polacos en la impresión de prototipos de páncreas artificial.
Por lo tanto, estos son algunos de los proyectos más emocionantes y esperanzadores en el espacio de bioimpresión 3D, a través de muchos de nuestros órganos clave.
Piel impresa en 3D
Tu piel es el órgano más grande de tu cuerpo. Protege tus entrañas, te mantiene unido y regula la temperatura de tu cuerpo. Sin embargo, dado que la piel no realiza ninguna actividad compleja de clasificación química o de bombeo de sangre, la piel es uno de los órganos más simples para replicar. En teoría, esto debería convertirlo en el órgano más fácil para la bioimpresión 3D.
Piel impresa en 3D que reemplaza los injertos de piel
Los injertos de piel son actualmente el método de tratamiento más eficaz para las víctimas de quemaduras, pero están lejos de ser perfectos. Pueden infectarse, cicatrizarse mal, sangrar abundantemente y los tiempos de recuperación son largos. También necesitan ser tomados de otras partes del cuerpo, comúnmente el muslo o las nalgas, lo que muchos estarían dispuestos a evitar.
Aquí es donde entra la piel impresa en 3D. En 2017, investigadores de la Universidad Carlos III de Madrid colaboraron con BioDan para crear un prototipo para una bioimpresora 3D que puede imprimir piel humana completamente funcional. Dado que la piel impresa en 3D se puede crear rápidamente y aplicarse directamente sobre la herida, las heridas pueden recuperarse significativamente mejor que con los injertos de piel que tardan más tiempo.
I+D en piel impresa en 3D.
Más recientemente, investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer de Nueva York han desarrollado una nueva forma de piel bioimpresa 3D, con vasos sanguíneos en funcionamiento. Esto es importante porque los injertos actuales eventualmente «simplemente se caen; nunca se integra realmente», según el líder de la investigación Pankaj Karande, ya que los injertos de piel actuales carecen de sistemas vasculares funcionales.
«En este momento, todo lo que está disponible como producto clínico se parece más a una elegante tirita», dijo Pankaj Karande, profesor asociado de ingeniería química y biológica y miembro del Centro de Biotecnología y Estudios Interdisciplinarios (CBIS), quien dirigió esta investigación en Rensselaer. «Proporciona un poco de cicatrización acelerada de la herida, pero con el tiempo simplemente se cae; nunca se integra realmente con las células huésped.»
Más bien, los injertos de piel actuales actúan como «una elegante tirita», dice Karande. Esta nueva investigación podría proporciona la base para futuros tratamientos eficaces de la piel impresa en 3D para minimizar el daño a largo plazo y permanente causado en las víctimas de quemaduras.
Las pruebas realizadas en ratones mostraron que la piel impresa en 3D trasplantada comenzó a comunicarse y conectarse con los vasos existentes del ratón. Esto es enormemente alentador, sugiriendo que lo mismo ocurriría en los seres humanos.
Sin embargo, el propio equipo reconoce las limitaciones actuales. Los sistemas vasculares de la piel de las víctimas de quemaduras a menudo se destruyen, sin dejar ningún sistema existente para que esta piel bioimpresa 3D se una y trabaje con ella. Todavía hay que hacer mejoras serias.
El equipo, en cambio, está tratando de hacer frente a los injertos de piel para úlceras diabéticas y de presión, pero espera que la tecnología eventualmente pueda adaptarse para lesiones graves por quemaduras e injertos de piel bioimpresos.
Piel bioimpresa para pruebas médicas
Empresas como L’Oréal están invirtiendo sumas significativas en I+D para descubrir formas de crear piel impresa en 3D. La piel bioimpresa 3D es útil no sólo para los seres humanos directamente, sino también para tener piel real y viva ofrece al cuidado de la piel y a otras compañías médicas nuevas formas de probar productos sin necesidad de seres humanos o animales vivos.
Los nuevos productos, como las cremas solares y otros ungüentos, podrían desarrollarse de manera más rápida y eficaz, ayudando a reducir la prevalencia del cáncer de piel. Además, una piel falsa más auténtica hace que un mejor tatuador se aplique antes de rascar sus diseños en personas reales, tal vez mejorando los tatuajes del futuro.
L’Oréal está experimentando con órganos impresos en 3D como la piel para sus cosméticos.
Corazones impresos en 3D bioimpresos y silicona
Alrededor de 3.000 personas en la Unión Europea están esperando un trasplante de corazón en un día dado. Dado que alrededor de 2.000 corazones están disponibles cada año, los tiempos de espera pueden ser años.
Contrariamente a lo que se podría pensar, el corazón es uno de los órganos biológicamente más simples del cuerpo. Sólo tiene una función: bombear sangre alrededor del cuerpo. Esto debería convertirlo en uno de los órganos impresos en 3D más fáciles de bioimprimir y trasplantar.
El pensamiento actual sugiere que la mejor manera de crear un corazón impreso en 3D es a través de ‘andamios’ de células de bioimpresión. En lugar de células de impresión 3D capa por capa, estos andamios biodegradables proporcionan soporte estructural para las células, dirigiéndolas a donde deberían estar. Luego, cuando las células se convierten en una estructura cardíaca impresa en 3D madura y terminada, el andamio se puede descomponer y quitar.
Esto ya se ha demostrado para trabajar en una micro escala con un parche de tejido cardíaco de trabajo. El tejido cardíaco impreso en 3D se utilizó con éxito para reparar un corazón de ratón dañado.
Sin embargo, todavía existen barreras y dificultades. Los corazones utilizan estructuras extremadamente pequeñas y de una célula de espesor — capilares — extremadamente difíciles de bioimprimir con precisión. Son simplemente demasiado pequeñas.
Un corazón impreso en 3D para que los estudiantes de medicina practiquen antes de cirugías reales.
Avance capilar impreso en 3D
Prellis Biologics, receptora de una reciente inversión de 3 millones de dólares en capilares impresos en 3D, afirma ser capaz de bioimprimir capilares de una célula de espesor que el oxígeno y los nutrientes pueden moverse.
La impresión de órganos 3D es imposible sin capilares. Sin embargo, en 2018, la Dra. Melanie Matheu, Fundadora y CEO de Prellis, anunció desarrollos para imprimir a la velocidad y resoluciones necesarias para formar capilares viables. La velocidad, y no solo la precisión, es clave, ya que las células no pueden sobrevivir sin suministro de sangre durante mucho tiempo, menos de 30 minutos.
Los capilares tienen aproximadamente 5-10 micras de diámetro, pero Prellis afirma ser capaz de estructuras de bioimpresión 3D de hasta 0,5 micras, e imprimir estas estructuras 1000 veces más rápido que los métodos existentes. (Anteriormente, 1 cm3 de tejido bioimpreso podría tomar semanas usando microvasculatura.) El nuevo objetivo de Prellis es bioimprimir en 3D todo un sistema vascular renal en 12 horas.
Estos éxitos no significan que los órganos impresos en 3D sean inminentes, ya que la tecnología necesita refinación y mejoras serias. Prellis Biologics está desarrollando tejidos para pruebas de drogas antes de esforzarse por órganos y tejidos totalmente trasplantables, por lo que los trasplantes que salvan vidas todavía están un tiempo fuera.
Otras investigaciones, en cambio, tienen como objetivo imitar artificialmente el papel del corazón, en lugar de crear corazones bioimpresos 3D reales.
Corazones artificiales de silicona impresos en 3D
En julio de 2017, ETH Zurich, dirigida por Nicholas Cohrs, un estudiante de doctorado, creó el primer corazón impreso en 3D compuesto enteramente de material de silicona suave. Su mecanismo de bombeo funciona muy parecido a un verdadero corazón humano, y fue impreso en una gran estructura. Esto significa que no es necesario unir piezas excepto las bombas de entrada y salida.
Este corazón artificial impreso en 3D logró durar unos 30 minutos antes de que los materiales no pudieran manejar la tensión y se rompieron. Esto representa un buen progreso, pero muestra lo lejos que todavía nos quedamos de cualquier alternativa viable a los trasplantes reales de corazón humano.
El corazón impreso en 3D de ETH Zurich es un órgano impreso en 3D que duró entre 30 y 45 minutos.
Pulmones impresos en 3D
En mayo de 2019, investigadores de la Universidad rice, EE.UU., imprimieron en 3D un pulmón de aire artificial que se contrae y se expande al igual que los pulmones humanos reales. Estos pulmones de aire respiran sin estallar, y podrían ser clave para superar los problemas actuales de bioimpresión 3D con la creación de redes vasculares complejas de trabajo.
«Uno de los mayores obstáculos para generar reemplazos de tejidos funcionales ha sido nuestra incapacidad para imprimir la compleja vasculatura que puede suministrar nutrientes a los tejidos densamente poblados… Nuestros órganos en realidad contienen redes vasculares independientes, como las vías respiratorias y los vasos sanguíneos del pulmón o los conductos biliares y vasos sanguíneos en el hígado. Estas redes interpenetrantes están enredadas física y bioquímicamente, y la arquitectura en sí está íntimamente relacionada con la función tisular.» según Jordan Miller, líder de la investigación.
Los pulmonesde aire que imitan los pulmones utilizaron tecnologías de bioimpresión SLATE (Stereolithography Apparatus for Tissue Engineering), utilizando un bioimpresor para solidificar un pre-hidrogel líquido utilizando luz azul, con el resultado de vías respiratorias y vasos sanguíneos.
CollPlant & United Therapeutics Pulmones de colágeno
Otros proyectos incluyen CollPlant Biotechnologies y la colaboración de United Therapeutics para crear pulmones impresos 3D trasplantables. La colaboración tiene como objetivo combinar las tecnologías rhCollagen (colágeno humano recombinante) de CollPlant con los sistemas de fabricación de órganos de United Therapeutics.
La tecnología de CollPlant utiliza plantas de tabaco, previamente asociadas en su lugar con daño pulmonar en lugar de rescate y mejora pulmonar, para crear colágeno. Colágeno se utiliza para crear sus bioinks a base de colágeno, que se utilizan para imprimir pulmones en 3D.
United Therapeutics planea usar pulmones de colágeno como esqueleto para insertar células humanas reales en. Desafortunadamente, estos pulmones nunca funcionarán para el trasplante humano, pero pueden actuar como una estructura para construir futuros pulmones y órganos bioimpresos en 3D a partir de.
«Estamos tratando de construir las pequeñas casas de palos para que las células vivan en.» Derek Morris, líder de proyectos de United Therapeutics.
La asociación también tiene como objetivo , en asociación con el gigante de impresión 3D 3D 3D Systems, el uso de sus impresoras láser UV – utilizando un grupo de colágeno para imprimir en 3D un contorno pulmonar. Su objetivo es que este esquema incluya todas las ramas de las vías respiratorias, incluidos alvéolos y capilares, dentro de unos años. Ya imprimieron una tráquea en 3D con dos bronquios en 2018.
United Therapeutics predijo en 2018 que estaban a 12 años de los órganos fabricados. Esperamos verlos alcanzar su objetivo en 2030.
Esfuerzos actuales de colaboración en pulmón bioimpresos entre CollPlant & United Therapeutics.
Intestinos impresos en 3D
Nuestros intestinos son clave para absorber agua, nutrientes y medicamentos, así como prevenir enfermedades mortales que afectan nuestro cuerpo.
Investigadores de la Universidad cornell de Nueva York están tratando de crear intestinos bioimpresos sintéticos para pruebas medicinales y libres de animales. Usando la impresión PolyJet 3D, el equipo creó un biorreactor microscópico que induce el flujo peristáltico en las células del lúmenes que recubran el intestino y son responsables de contraer los músculos del intestino.
Los lúmenes fueron apoyados con un andamio al que se añadieron células intestinales, antes de ser cultivados en el biorreactor impreso en 3D. Los seguimientos mostraron que las células crecían en el biorreactor y eran demostrativamente más definidas, uniformes y eficaces, absorbiendo más glucosa que aquellas sin líquido peristáltico inducido.
Estos avances podrían ser clave para los pacientes con insuficiencia intestinal, y podrían evitar problemas que conduzcan a trasplantes y problemas relacionados con el rechazo.
La evidencia demostró que el biorreactor fue hecho para células más eficaces.
Hígado impreso en 3D
Tejidos hepáticos impresos en 3D de Organovo
Organovo tiene una rica historia en la impresión 3D de tejido hepático. La compañía fue fundada en 2007, licenciando tecnología de bioimpresión 3D de la Universidad de Missouri, y desarrollada por Gabor Forgacs.
Los tejidos renales y pulmonares ExVive de Organovo son un gran avance, ya que pueden ser bioimpresos en 3D para crear ambos tejidos y redes de células sanguíneas capilares separadas que imitan los sistemas reales del cuerpo. Merck & Astella han publicado datos que confirman que los tejidos de Organovo son mejores que los métodos tradicionales de pruebas de drogas.
Organovo ahora está trabajando en ensayos clínicos para el trasplante directo de parches de tejido hepático impresos en 3D. Estos parches son aproximadamente del tamaño y grosor de un billete de dólar, y por lo tanto no pueden ayudar a los pacientes a recuperarse completamente, pero para los pacientes en la lista de trasplante de hígado, podría mantenerlos en marcha durante 1-2 años adicionales, salvando sus vidas.
El objetivo es comenzar a trasplantar estos tejidos hepáticos a pacientes en 2020. Organovo afirma que el mercado de trasplantes terapéuticos de hígado vale más de $3.000 millones solo en los EE.UU.
Un ejemplo de un modelo hepático impreso en 3D reciente.
Avances en la bioimpresión hepática de California
En 2016, el Dr. Shaochen Chen de la Universidad de California en San Diego anunció desarrollos de tejido hepático impreso en 3D que imitan la estructura y función hepática humana real. Las células madre fueron tomadas de la piel del paciente y combinadas con otros dos tipos de células antes de ser cambiadas a células hepáticas. Las células madre son especiales en que pueden cambiar a otros tipos de células y dividirse para producir más de estos. Esto los hace extremadamente valiosos para la investigación y los tratamientos.
Los bioinks hepáticos impresos en 3D se depositaron en cuadrados de 3 x 3 mm. Los cuadrados se cultivaron in vitro durante 3 semanas a medida que se convertían en tejidos. Después de las pruebas, el tejido hepático impreso en 3D se encontró para mantener con éxito las funciones hepáticas clave durante un tiempo más largo que los modelos de hígado existentes pueden.
Sao Paulo, Brasil, hígados impresos en miniatura en 3D
Más recientemente, a finales de 2019, investigadores en Sao Paulo, Brasil, bioimprimieron hígados en miniatura de vasos sanguíneos humanos. A pesar de su estatura diminuta, estos hígados impresos en 3D pueden realizar todas las tareas diarias del hígado, desde producir proteínas vitales, almacenar vitaminas clave y secretar la bilis para absorber grasas.
El bioimpresor 3D inkredible de Cellink produjo los hígados en un proceso de 90 días. Esto abarcó tomar la sangre de un paciente para obtener células madre, reprogramar estas células madre en células hepáticas, integrarlas en la bio-tinta 3D, y luego bioimprimirlas para crear el hígado. Las estructuras celulares bioimpresas se cultivaron durante 18 días.
Aunque no son lo suficientemente grandes, estos desarrollos mueven la bioimpresión 3D hacia el final de la etapa de infancia, construyendo hacia avances futuros que cambian la vida.
El equipo de investigación bioimprimía en 3D los hígados en miniatura.
Cerebros impresos en 3D
Como el órgano más complejo e inexplorado del cuerpo, el menor progreso del órgano impreso en 3D se ha hecho en el cerebro.
Sólo muy recientemente los científicos incluso han bioimpreso 3D los primeros tejidos tan blandos como el tejido cerebral. Es extremadamente difícil imprimir en 3D materiales tan blandos como cuando se construye capa tras capa, las capas anteriores simplemente colapsan bajo la presión.
Sin embargo, se han hecho avances. Zhengchu Tan, investigador del Imperial College de Londres, probó la bioimpresión de un hidrogel extremadamente blando congelando criogénicamente capas previamente impresas. Una vez congeladas, estas capas eran más estables, lo que permitía imprimir más capas en la parte superior. La congelación se repite hasta que se completa el tejido hidrogel.
Tejidos blandos congelados, lo que podría conducir a órganos impresos en 3D como cerebros en el futuro.
Una vez terminado, el tejido se descongela lentamente para que conserve su forma y forma, operando juntos como un solo tejido.
Después de haber logrado crear estos primeros tejidos de hidrogel blando, los objetos más complejos están en las obras que serán mucho más difíciles de mantener su estructura y enfriar por igual a través de la pieza.
Fuente: FT. El proceso de órgano impreso en 3D.
Órganos impresos en 3D: Conclusión
En general, se están consiguiendo grandes avances en los tejidos de impresión 3D. Con órganos más simples como la piel, ya se han hecho avances significativos. Sin embargo, con órganos impresos en 3D como corazones, hígados y riñones, el tamaño microscópico de los capilares significa que probablemente estamos a décadas de distancia de los órganos trasplantables.
Podemos conseguir una sociedad para la que la impresión 3D de nuevos órganos es común, ampliando significativamente nuestra vida útil. Los avances científicos ocurren todo el tiempo, y a medida que la impresión 3D mejora y se vuelve más precisa, tal vez podamos resolver la escasez de órganos con órganos impresos en 3D.
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