La impresión 3D en la lucha contra el cancer

Los científicos del LLNL usan la bioimpresión en 3D para entender mejor la formación de tumores cancerosos

Los investigadores de Lawrence Livermore (National LaboratoryLLNL) han combinado la bioimpresión en 3D con simulaciones de flujo computacional para comprender mejor la propagación del cáncer durante la metástasis.

Trabajando junto con científicos de la Universidad de Duke, el equipo inyectó células tumorales en una estructura celular cerebral impresa en 3D. Aplicando el análisis de dinámica de fluidos al proceso, el equipo fue capaz de identificar dónde se unieron los tumores, preparando el camino para un potencial modelo predictivo. Aprovechando el novedoso enfoque de los investigadores basado en modelos informáticos, los futuros clínicos podrían ser capaces de anticipar la propagación de las células cancerígenas en pacientes individuales.

“El modelado computacional es definitivamente una herramienta útil, pero aún así es necesario compararlo con algo real”, dijo Mónica Moya, investigadora principal del estudio LLNL. “Con este enfoque, podemos hacer la biología tan simple y limpia como debe ser para validar los modelos, y podemos aumentar la complejidad, tanto en la biología como en el modelo computacional.

“La física es importante en la biología, y este artículo realmente proporciona un marco de trabajo para que puedas usar estos modelos in vitro, emparejados con simulaciones, para realmente dar fuerza al campo.”

computer analysis carried out at llnl revealed a p - La impresión 3D en la lucha contra el cancer El análisis computarizado llevado a cabo en el LLNL reveló un patrón en el que las células cancerosas se reunían en la estructura vascular impresa en 3D. Imagen a través del LLNL.

La urgente necesidad de soluciones para el cáncer impresas en 3D

Se sabe desde hace más de 150 años que las células cancerosas pueden invadir organos secundarios y causar tumores, pero predecir la trayectoria exacta de estos crecimientos ha sido imposible. La incapacidad actual de los médicos para localizar y tratar los cánceres en sus primeras etapas ha hecho que sean muy difíciles de tratar, y cuando los crecimientos se producen en el cerebro, casi siempre son fatales.

Moya describió el proceso por el cual las células cancerosas se propagan, se adhieren y crecen en el revestimiento de un recipiente, como una semilla que se planta en el suelo. “Las células tumorales tienden a escapar de un tumor primario y viajan a través de la vasculatura”, explicó Moya. “Eventualmente se adhieren a la pared de un vaso, pasan a través del endotelio al tejido y crecen como una semilla en el suelo”.

Obtener una mayor comprensión de dónde caen las células mediante estudios, ha resultado casi imposible debido al número de factores de diferenciación entre cada sistema vascular probado. La medición de las fuerzas mecánicas, como el flujo dinámico de fluidos in vivo, también requiere una simplificación significativa de los modelos de prueba existentes, lo que limita su utilidad para sacar conclusiones.

Aunque una gran cantidad de investigaciones anteriores sobre crecimientos cancerígenos ha implicado la elaboración de modelos por computadora, es importante validar estas hipótesis mediante pruebas in situ. Si se comprueba que son correctas, las teorías podrían ser la clave para entender el papel de los patrones de flujo, la geometría vascular y el cumplimiento de los tejidos en la siembra endovascular. Tener un modelo muy detallado es por lo tanto vital para obtener el máximo de la comprensión de la investigación del cáncer.

A pesar de la importancia de la validación, los métodos suelen limitarse a utilizar dispositivos microfluídicos, que no presentan canales tubulares ni conformidad de los vasos, dos características importantes de los modelos in vivo. Los dispositivos microfluídicos también carecen de la gama completa de sitios de fijación disponibles para las células tumorales en circulación (CTC), y sus geometrías no pueden reproducirse exactamente entre los modelos.

the llnl teams vascular structures demonstrated t - La impresión 3D en la lucha contra el cancer Las estructuras vasculares del equipo de LLNL demostraron el mismo módulo de almacenamiento que el tejido cerebral humano real. Imagen a través del LLNL.

El dispositivo basado en hidrogel del equipo del LLNL

Para superar las limitaciones de los dispositivos microfluídicos existentes, el equipo del LLNL desarrolló un dispositivo de flujo vascular basado en hidrogel. Aprovechando una impresora 3D basada en extrusión hecha a medida, se diseñó una biotinta de sacrificio que se incrustó en un hidrogel de gelatina-fibrina. Los canales lumínicos fueron entonces evacuados y sembrados con células endoteliales cerebrales humanas inmortalizadas, formando un tejido similar al vascular.

Aunque con su hidrogel se podían lograr diversas geometrías vasculares, los investigadores optaron inicialmente por fabricar geometrías rectas y ramificadas simplificadas. Comenzando con estructuras básicas, el equipo se propuso sacar conclusiones más amplias basadas en una serie de pequeños cambios continuos durante las pruebas. Se produjeron buques del tamaño de pequeñas arterias, con dos puntos de ramificación jerárquicos de 45° y vasos hijos de diámetros cada vez más pequeños.

Para probar su sistema vascular sanguíneo aditivo, el equipo de LLNL lo conectó a un sistema neumático de alimentación fluida. Después de siete días, las células endoteliales habían cubierto completamente todas las superficies de los canales expuestos, formando una capa confluente de revestimiento endotelial. Posteriormente, los vasos fueron sometidos a una serie de pruebas de flujo y se les tomó una imagen con microscopía confocal para evaluar su respuesta a las distintas velocidades de flujo.

the researchers concluded that their combined vali - La impresión 3D en la lucha contra el cancer Los investigadores llegaron a la conclusión de que su método de validación combinado había tenido éxito en la búsqueda de pautas en los comportamientos de las células cancerosas.

Se encontró que el módulo de almacenamiento final del gel era similar al reportado en el tejido cerebral humano, lo que lo hace ideal para probar la probabilidad de adhesión al CTC. Las células del carcinoma de la glándula mamaria metastásica se filtraron y circularon a través de los dispositivos bioimpresos a una velocidad de flujo media de 1690 μl/min durante una hora. Los dispositivos fueron entonces fijados, teñidos e imaginados para determinar dónde se unieron los CTC.

Las pruebas mostraron que los CTC tenían preferencia por adherirse en los puntos de ramificación del buque en lugar de sus porciones rectas. Las simulaciones continuas revelaron que los niveles de tensión de cizallamiento de la pared (WSS) de las arterias impresas en 3D también eran un factor importante en la tasa de fijación. A pesar del mayor esfuerzo de cizallamiento aplicado a las células cancerosas en los canales rectos, se encontró que el mayor WSS observado en regiones más pequeñas mejoraba su anclaje.

Basándose en sus hallazgos, el equipo del LLNL concluyó que su estrategia de llevar a cabo simulaciones de dinámica de fluidos computacional cada vez más complejas era un éxito. Los investigadores consideran que su enfoque es un primer paso en el uso de modelos computacionales para identificar cómo las células cancerosas se propagan a órganos distantes.

“Utilizando este enfoque, pudimos probar, observar y medir un fenómeno biológico que antes era imposible”, resumió el autor principal y el ingeniero del personal de investigación del LLNL William “Rick” Hynes. “Al emparejar nuestra plataforma de ingeniería con el modelado computacional, podemos interrogar directamente el comportamiento de las células metastásicas y las reglas que las gobiernan mucho más rápido que a través de la experimentación sola”.

La utilización de la impresión en 3D en la lucha contra el cáncer

La fabricación de aditivos ha sido a menudo utilizada por los investigadores como un método para descubrir más sobre las células cancerosas, con el objetivo final de encontrar formas de combatir la enfermedad mortal.

Científicos de la Universidad de la Ciudad de Nagoya, con sede en Japón, han desarrollado un nuevo tipo de sistema de administración de medicamentos contra el cáncer impreso en 3D. Utilizando un hidrogel polimérico, el equipo fabricó un parche implantable que demostró ser capaz de transportar la medicación de la Doxorubicina Liposomal.

Un profesor asistente de la Universidad de Virginia Commonwealth ha utilizado la impresión en 3D para crear modelos vivos de células tumorales. El avance podría permitir a los investigadores del cáncer entender mejor la progresión de la enfermedad.

Investigadores de EE.UU. y Alemania han producido un modelo bioimpreso en 3D del glioblastoma (GBM), un tipo de cáncer cerebral agresivo. Las estructuras celulares biofabricadas tienen el potencial de ayudar a los médicos a desarrollar una mejor comprensión de la enfermedad, y acelerar el descubrimiento de nuevos medicamentos para combatirla.

Las conclusiones de los investigadores se detallan en su artículo titulado “Examinar metastatic behavior within 3D bioprinted vasculature for the validation of a 3D computational flow model“, que se publicó en la revista Advanced Functional Materials. El informe fue co-autorizado por W. F. Hynes, M. Pepona, C. Robertson, J. Alvarado, K. Dubbin, M. Triplett, J. J. Adorno, A. Randles y M. L. Moya.

 

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