Bioprinting: Impresión de Órganos

Autor: Juan Andrés Aguayo Hernández

De acuerdo con cifras reportadas por el Centro Nacional de Trasplantes (CENATRA), en México mueren al menos 20 personas diarias en espera de un trasplante de órgano. Hoy en día existen alrededor de 23,000 mexicanos en esta lista de espera y se estima que cada 10 minutos una persona más se suma a ella. La mayoría de estos casos espera recibir trasplantes de riñón (73%), seguidos por trasplantes de córnea (24%) e hígado (2%). No obstante, México tiene una de las tasas más bajas de donación de órganos de América Latina, donde por cada millón de habitantes sólo hay 4.6 donantes. Adicionalmente, solo 3 de cada 1000 de estas muertes resultan en circunstancias viables donde se podrían extraer sus órganos. Por otro lado, el potencial rechazo del trasplante por parte del sistema inmunológico de la persona receptora disminuye aún más las probabilidades de que el procedimiento sea exitoso. Estas complicaciones, a la par del surgimiento de nuevas tecnologías, han incentivado a los científicos a buscar soluciones alternativas, y la bioimpresión de órganos es uno de los conceptos que tiene más potencial.

Impresión 3D

La manufactura aditiva es un término relativamente nuevo que ha revolucionado la industria manufacturera en las últimas décadas. Mientras que las técnicas tradicionales de manufactura se basan en el principio de la remoción del material para formar la estructura deseada, la manufactura aditiva fabrica componentes a partir de la adhesión de materiales capa por capa por medio de una impresora 3D. Este concepto resulta muy útil para moldear estructuras relativamente complejas y personalizadas. Además de que fomenta una reducción de costos y de tiempos de espera. Inicialmente, este método fue utilizado por una variedad de industrias de productos de consumo, pero no le tomó mucho tiempo a la comunidad científica incorporar estas metodologías para aplicaciones médicas. La primera impresora 3D fue desarrollada por Charles Hull en 1984. Sin embargo, esta estaba limitada al uso de materiales plásticos, metálicos y cerámicos para crear modelos estereolitográficos. Y no fue hasta 1996 que por primera vez en la historia se empezaron a usar biomateriales para la regeneración de tejidos corporales. A partir de esto, el campo de la ingeniería tisular finalmente despegó. Esto resultó en la incorporación de células vivas a los materiales, la bioimpresión exitosa de cartílagos articulares, el desarrollo de técnicas de vascularización de tejidos, y la generación exitosa del primer hígado artificial funcional, el cual desafortunadamente solo está disponible para ratones por el momento. No obstante, en el 2001 Luke Massella, quien había sido diagnosticado con espina bífida desde su nacimiento, se convirtió a sus 10 años en una de las 10 personas en el mundo que cuentan con una vejiga artificial creada a partir de sus propias células. Esta conmovedora historia, junto con los avances médicos recientes, nos hacen ver el potencial y las aplicaciones que podrían tener estas tecnologías en un futuro próximo.

Biomateriales y Bioinks

Ya hablamos sobre lo que es el “Bioprinting” y sobre algunas de sus posibles aplicaciones. Ahora vamos a hablar sobre el mecanismo que hace todo esto posible. Para entender la bioimpresión, primero hay que conocer el concepto de los biomateriales. Estos se definen como cualquier sustancia que ha sido diseñada para interactuar con un sistema biológico. Y han sido usados extensamente para restablecer funciones de órganos, facilitar la curación de personas enfermas, y remplazar tejidos dañados. A partir de este concepto nacen las “bioinks” o biotintas, las cuales son el material designado para utilizar en una bioimpresora. Las biotintas se componen tanto de células vivas, como de una variedad de biomateriales que replican la matriz extracelular de un tejido. Su composición está diseñada con la intención de apoyar temporal o permanentemente a las células para facilitar su adhesión, proliferación y diferenciación durante su etapa de maduración. Adicionalmente, existe una variedad de diferentes tipos de biotintas, y su selección depende tanto del tejido a replicar, como del método de bioimpresión que se llevará a cabo. A continuación, se hace una descripción de las 3 metodologías principales usadas hoy en día para la bioimpresión de tejidos:

1 - Extrusión

La solución de biotinta es extruida continuamente mediante el movimiento coordinado de un pistón a base de presión o de una microaguja. Se realizan los patrones deseados capa por capa para así lograr un modelo en 3 dimensiones. Este es el método más convencional que se asimila a una impresión 3D estándar.

2 - Chorro de tinta (Inkjet)

Tiene un funcionamiento similar a la biompresión por extrusión a diferencia de que lanza pequeñas gotas de biotinta en vez de tener un flujo de solución continuo. Este método también es usado para crear impresiones en papel estándar de alta resolución.

3 - Asistida por Láser

Esta técnica cuenta con 3 componentes. En la parte superior se cuenta con un láser emisor que es la fuente de energía, en medio hay una cinta especial en la cual se suspende la biotinta en estado líquido, y en la parte inferior está la superficie receptora donde se llevará a cabo la bioimpresión. Al activarse el láser, se sobrecalienta un punto específico de la cinta. Lo que resulta en el evaporamiento de gotas de biotinta que se implantarán en la superficie receptora. Posteriormente, por medio de movimientos coordinados se logrará un patrón de 3 dimensiones. La ventaja de este método es que el biomaterial está libre de contacto externo debido a la ausencia boquillas para transportar la solución.

Retos de la Bioimpresión de órganos

Mientras es verdad que la bioimpresión de órganos abre las puertas a una variedad de caminos para lidiar con diferentes retos de la industria médica actual, resulta evidente que queda un largo camino por recorrer en los campos de ingeniería tisular y medicina regenerativa. Hasta el momento, nadie ha logrado imprimir órganos humanos trasplantables completamente funcionales, fuera de las 10 vejigas mencionadas anteriormente. Estas limitaciones surgen a partir de una larga lista de complicaciones que se dan al intentar replicar un órgano humano en todos sus aspectos estructurales y funcionales. Primeramente, la funcionalidad de un órgano requiere replicar su fisiología a escalas microscópicas, lo que significa que cada una de las células involucradas en el tejido artificial debe trabajar en sincronía con las demás. Por otro lado, una de las mayores limitantes de esta tecnología es el reducido número de biomateriales disponibles hoy en día, por lo que se requiere una mayor inversión para fomentar la investigación y el desarrollo en este sector.

Adicionalmente, estos tejidos se alimentarán de oxígeno y de nutrientes las 24 horas del día, lo que significa que un órgano artificial requiere de un sistema vascularizado. Esto claramente representa otro reto más, debido a que el corazón humano impulsa la sangre por una red de aproximadamente 100,000 kilómetros de vasos sanguíneos, donde hay capilares tan pequeños de hasta 5 micras de diámetro. No obstante, científicos israelitas presentaron en el 2019 el primer corazón humano vascularizado impreso en 3D. El cual, a pesar de no ser funcional por el momento, nos muestra la magnitud del impacto que pueden tener estos proyectos.

Dicho esto, la bioimpresión 3D no se limita a reducir las largas listas de espera para recibir un trasplante de órgano. Sino también abre la posibilidad de acabar con enfermedades crónicas, acelerar el desarrollo de productos farmacéuticos, extender la esperanza de vida humana, y mejorar nuestra calidad de vida considerablemente. Solo pensar en estas posibilidades nos indica que nuestro futuro probablemente se encuentra en buenas manos.

Referencias