¿Qué es la bioimpresión?

La bioimpresión es un proceso de fabricación aditiva que construye partes artificiales del cuerpo a partir de filamentos fabricados a partir de células vivas. Normalmente, estos filamentos de biomaterial (llamados biotinta) se extruyen capa por capa para crear una pieza biomédica sintética, similar a la impresión 3D. La idea es construir estructuras biomiméticas que repliquen con precisión las que se producen naturalmente en nuestro cuerpo. Hasta ahora, la bioimpresión puede producir tejido vivo, huesos y vasos sanguíneos, con el objetivo de fabricar órganos enteros desde cero.

La bioimpresión es el proceso de creación de estructuras celulares en 3D a partir de biotintas. Se utiliza para construir réplicas biológicas funcionales de partes del cuerpo, como tejidos vivos, huesos y vasos sanguíneos.

En la impresión 3D, se puede utilizar una impresora para construir herramientas y estructuras, como accesorios tecnológicos, joyas o juguetes, a partir de metales, plásticos o cerámicas.

"La bioimpresión lleva esto un paso más allá", dijo Ryan Creek, médico asociado certificado con experiencia en medicina regenerativa en nuevas empresas de biotecnología. "La 'impresión' se realiza utilizando materiales de origen biológico que luego pueden replicar algunas de las propiedades de tejidos específicos del cuerpo".

Se cree que la bioimpresión es una vanguardia de la medicina regenerativa y probablemente se utilizará para reparar o restaurar tejidos dañados y enfermos. Actualmente, se está poniendo a prueba en investigaciones de laboratorio para probar medicamentos y explorar tratamientos. El año pasado, cirujanos de San Antonio, Texas, se convirtieron en el primer equipo en implantar una estructura bioimpresa en 3D (una oreja, cultivada a partir de las propias células del paciente) en un ser humano.

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Antes de que comience la impresión real, se debe tomar una biopsia del órgano. Ciertas células "deseadas" se aíslan y luego se multiplican mediante un proceso de cultivo que promueve el crecimiento en un entorno artificial. Según el proyecto se distinguen determinados tipos de células. Por ejemplo, si un investigador quisiera fabricar un menisco, se necesitarían células de fibrocartílago para el trabajo.

Luego, estas células se mezclarán en una solución de hidrogel, que proporciona oxígeno y nutrientes a las células para mantenerlas vivas, y se cargarán en un cartucho.

"Las formulaciones de biotinta generalmente están hechas de [una combinación de biomateriales] que ayudan a las células a crecer y madurar como tejido", explicó Didarul Bhuiyan, científico de ingeniería de biomateriales y tejidos de West Pharmaceutical Services. Estos biomateriales suelen incluir diferentes biopolímeros, proteínas y factores de crecimiento. Juntos, ayudan a construir el andamio que luego pueblan las células vivas.

Mientras tanto, se crea un plano digital utilizando un archivo de diseño asistido por computadora (CAD) que une el sujeto en capas delgadas. Esto prepara el marco tridimensional como un conjunto de instrucciones que construyen el objeto de abajo hacia arriba.

En este punto, el proyecto está listo para imprimir. Una boquilla guiada por un brazo robótico se mueve horizontalmente a lo largo de un eje XYZ, extruyendo el filamento siguiendo el plano del archivo CAD. Capa tras capa, la biotinta construye la estructura final sobre una bandeja de andamio o una base líquida.

Si bien algunos biomateriales pueden curarse en tiempo real, otros pueden requerir más cuidados in vivo para garantizar la funcionalidad total y la viabilidad celular general. En la posproducción, las estructuras bioimpresas se pueden colocar en biorreactores para lograr una maduración, vascularización y estabilidad óptimas del tejido. Dependiendo de la complejidad de una parte biomédica, este paso final puede tardar semanas o incluso meses.

Lo anterior describe el método de bioimpresión más común, que se llama extrusión de material. Otros métodos incluyen la bioimpresión 3D por inyección de tinta, que construye piezas en gotas, y la estereolitografía, una técnica que cura un objeto proyectando luz ultravioleta a través de una tina de resina.

No es ningún secreto que la creación de órganos completos y funcionales es el santo grial de la bioimpresión.

Es por eso que investigadores de la Universidad de São Paulo en Brasil exploraron el uso de células sanguíneas para desarrollar versiones en miniatura del hígado humano, produciendo un órgano viable en sólo 90 días. Los "organoides hepáticos" pueden producir proteínas vitales, almacenar vitaminas y secretar bilis.

En ensayos con animales, investigadores polacos bioimprimieron un prototipo de páncreas funcional, denominado "páncreas biónico", que demostró el flujo sanguíneo en cerdos durante un período de dos semanas.

Mientras tanto, la startup de bioingeniería Trestle Biotherapeutics, con sede en San Diego, obtuvo su licencia para fabricar tejidos de riñón humano que pueden tratar a aquellos en etapa terminal de enfermedad renal, retirar los casos menos graves de la diálisis, dar más tiempo a aquellos en la lista de trasplantes y eventualmente reemplazarlos. el órgano por completo.

Los investigadores de United Therapeutics Corporation abrieron camino hacia los primeros pulmones celularizados impresos en 3D del mundo con la construcción de un andamio de pulmón humano, completo con 4.000 kilómetros de capilares y 200 millones de alvéolos, capaz de intercambiar oxígeno en modelos animales. Según el informe, esperan que el proyecto sea aprobado para ensayos en humanos en los próximos cinco años.

Investigadores de la Universidad de Boston bioimprimieron un corazón humano en miniatura que late por sí solo. Apodada la 'minibomba', los investigadores fabricaron el corazón de gallo a partir de células cardíacas humanas vivas derivadas de células madre y piezas acrílicas impresas en 3D a microescala. En el futuro, estos pequeños corazones artificiales se utilizarán para estudiar el cuerpo humano de cerca y personalmente, lo que permitirá conocer su crecimiento embrionario, cómo progresan las enfermedades cardíacas o cómo reacciona el órgano que bombea la sangre a nuevos fármacos.

En 2019, investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer desarrollaron parches de piel completamente vascularizados, creando con éxito un sustituto sintético del órgano más grande del cuerpo. El gel líquido para la piel consistía en un cóctel de células humanas suspendidas en colágeno extraído de colas de rata. Cuando se injertaron en sujetos de prueba de roedores, los parches de piel creados mediante bioingeniería desarrollaron vasos sanguíneos orgánicos, que se conectaron al sistema vascular del huésped en cuestión de semanas. Los hallazgos del estudio prometen una mejor atención de las quemaduras y una curación acelerada de las heridas en un futuro próximo.

Por otra parte, los científicos del Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa crearon un sistema móvil de bioimpresión de piel que puede imprimir pseudopiel directamente en una herida desde la cabecera de la cama del paciente.

Las opacidades corneales son la quinta causa de ceguera en todo el mundo, según la Organización Mundial de la Salud. Para ayudar a los 4,2 millones de personas que padecen problemas de visión tratables, un equipo de investigadores con sede en la India desarrolló un implante corneal bioimpreso que aprobó los ensayos con animales. Por cada córnea humana donada se pueden imprimir tres córneas artificiales, afirman los investigadores.

Reimprimir partes del sistema reproductivo femenino podría ayudar a llenar los vacíos en un área poco investigada y con fondos insuficientes que es la atención médica de la mujer. Haciendo su parte, un equipo de investigadores de la Universidad Northwestern ha implantado con éxito una bioprótesis ovárica que puede estimular la producción de hormonas, restaurar la fertilidad y rehabilitar la salud endocrina en ratones. En el experimento, se extirparon ovarios sanos y luego se reemplazaron con estructuras bioimpresas a base de gelatina que albergaban óvulos de ratón inmaduros. Las bioprótesis eran capaces de ovular, fertilizar y llevar a cabo un nacimiento vivo.

Una de cada seis muertes es causada por cáncer. Sin embargo, cómo se comunican y se comportan estas células sigue siendo un misterio para la comunidad médica en general.

Para comprender mejor la gran cantidad de células mutadas, los científicos han adaptado la tecnología "en un chip", establecida por el Instituto Wyss en 2007, para estudiar el comportamiento de las células cancerosas. Estos dispositivos de cultivo de microfluidos, que vienen en forma de tumor en un chip o cáncer en un chip, brindan una ventana a los microambientes en los que prolifera la metástasis para comprender mejor cómo desarrollar anti- agentes cancerígenos.

Según Creek, la investigación del cáncer es una aplicación de bioimpresión que a menudo se pasa por alto.

"La mayor parte del interés de los medios se dirige a las tecnologías implantadas", dijo Creek. "Pero si se pudiera replicar tejido humano, órganos o tumores cancerosos específicos en un entorno de probeta, se podrían estudiar los efectos de los medicamentos y otros tratamientos antes de probarlos en seres humanos".

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La bioimpresión no se trata solo de producir imitaciones: estas estructuras celulares vivas también son réplicas biológicas funcionales de sus contrapartes naturales. La biomímesis se logra cuando un gemelo artificial recrea con éxito las interacciones celulares que se encuentran en el tejido de muestra mediante la replicación de elementos estructurales idénticos de los mismos tipos de células colocados en una ubicación uniforme bajo condiciones controladas. Los científicos dependen de andamios y biorreactores para ayudar en este proceso.

Cualquier tecnología desarrollada dentro del espacio de la impresión 3D disfruta de un alto nivel de control. Estas máquinas están diseñadas para replicar modelos CAD hasta la posición de la celda a lo largo de un eje XYZ, recreando microestructuras arquitectónicamente complejas capaces de realizar biomimetismo.

"Además, la bioimpresión es más adecuada para crear tejido con múltiples conjuntos de diferentes tipos de células", dijo Bhuiyan, "de los que normalmente carecen otras técnicas de fabricación tradicionales".

Ya se están realizando investigaciones sobre la implementación de la inteligencia artificial (más específicamente, el aprendizaje automático) para crear el engaño digital perfecto.

La naturaleza altamente personalizable de la impresión 3D infiere la eventual disponibilidad de tratamientos específicos para el paciente. A partir de una biopsia por extracción, los médicos cultivan las células antes de mezclarlas en una biotinta, que se utiliza para construir el órgano o tejido deseado a partir del propio ADN del paciente. Estos tejidos y órganos personalizados se adaptan a cada paciente, lo que reduce la probabilidad de rechazo.

Aparte de la pre y postproducción requerida por la ingeniería de tejidos, la bioimpresión es muy susceptible de automatización. La producción masiva de órganos podría significar la diferencia de vida o muerte para quienes esperan en la lista de trasplantes, de los cuales 17 mueren cada día, según la Administración de Recursos y Servicios de Salud. La promesa de la bioimpresión está en su entrega escalable de trasplantes bajo demanda, tan simple como recolectar células, cargar un archivo digital y presionar para imprimir. Además, cuanto más informatizado se vuelve un procedimiento, menor es la probabilidad de error humano.

Si la bioimpresión es capaz de producir tejidos vivos que emulen los que ocurren naturalmente en los humanos, entonces la posibilidad de eliminar por completo las pruebas con animales de los laboratorios de ciencias biológicas se vuelve más una realidad. Una organización, un proyecto europeo conocido como BRIGHTER, coordinado por el Instituto de Bioingeniería de Cataluña, espera eliminar la experimentación con animales con su novedosa tecnología que utiliza litografía con láminas de luz para fabricar piel humana funcional.

Dado que la tecnología y el hardware utilizados en la bioimpresión son simplemente adaptaciones de sistemas básicos de impresión 3D diseñados para plásticos y metales, este aspecto del desarrollo enfrenta graves limitaciones. Cuando se trabaja con materiales de construcción hechos de biotinta, el diseño de estas máquinas se queda corto en áreas vitales para los biomateriales, que requieren filamentos de baja viscosidad, un entorno altamente controlado y sin emisiones y una colocación casi perfecta de las gotas.

"Actualmente, la mayoría de los materiales que son buenos para la impresión 3D no lo son muy buenos para las células", dijo Bhuiyan. “Del mismo modo, la mayoría de los materiales que realmente gustan a las células no son buenos para la impresión 3D. Por lo tanto, existe una necesidad real de desarrollar materiales de biotinta [más compatibles]”.

Las células soportan una cantidad significativa de estrés durante la bioimpresión. Asegurarse de que un cierto porcentaje de células siga siendo viable es crucial para el éxito de un proyecto. Las boquillas de tamaño insuficiente, las altas presiones y los entornos deficientes en nutrientes pueden provocar daños o muerte celular, comprometiendo potencialmente la funcionalidad de una pieza en la posproducción. Las técnicas de bioimpresión que involucran luz, como la estereolitografía o los métodos asistidos por láser, también pueden causar estrés térmico y radiativo a los cultivos celulares.

La fabricación de piezas biomédicas es costosa. La bioimpresión es una ciencia que requiere mucha mano de obra y que también depende de maquinaria de alto calibre. Según el mercado de hardware de fabricación aditiva Aniwaa, las impresoras de primera línea, como la Poietis NGB-R, tienen un precio de 200.000 dólares, un salto de precio significativo con respecto a las que se utilizan comúnmente en la impresión 3D no basada en polímeros biológicos. Los modelos más asequibles, como Regemat Bio V1, cuestan alrededor de 25.000 dólares, y suelen estar dirigidos a investigadores universitarios. Considere también los costos que conlleva la adquisición de células humanas y derechos de propiedad al trabajar con biomateriales.

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Los mayores éxitos de la bioimpresión actual se encuentran en estructuras biomédicas simples que son planas y huecas, como vasos sanguíneos, capilares y otros tubos responsables del intercambio de nutrientes y desechos.

Por ahora, los investigadores están intentando superar dos barreras importantes en la ingeniería de tejidos, según el profesor de bioingeniería de Stanford, Mark Skylar-Scott. La primera es cómo ubicar mejor los tipos de células para eventualmente construir tejidos complejos, como órganos completos. El segundo es descubrir cómo imprimir modelos artificiales con vasos sanguíneos incorporados. De esa manera, las estructuras celulares podrían depender de las redes vasculares para mantenerse bien alimentadas y oxigenadas durante largos procesos de producción.

Estos desafíos han estimulado proyectos no convencionales, fusionando biotintas de células humanas con células de algas de origen vegetal o aplicando criobioimpresión para extender la vida útil de una estructura viva a mitad de la producción, en la carrera hacia el primer órgano de bioingeniería del mundo. Esa carrera probablemente implicará programación de IA con aprendizaje automático para producir modelos anatómicamente precisos y sin defectos a velocidades automatizadas.

De cara al futuro, los expertos dicen que los trasplantes humanos bioimpresos pueden tardar sólo una década.

Pero antes de eso, hay mucho trabajo por hacer.

"Tendremos que completar extensos ensayos clínicos antes de que las tecnologías bioimpresas puedan usarse en humanos, y este proceso puede llevar muchos años", dijo Creek. Esto incluye revisiones exhaustivas de seguridad y eficacia por parte de todos los organismos reguladores acreditados. Una vez aprobado, es cuando comienza la batalla por los resultados. Aquí es cuando los equipos de investigación y las nuevas empresas de biotecnología innovadoras no sólo tendrán que demostrar la ciencia detrás de su metodología, sino también su sentido financiero.

“Los sistemas hospitalarios y las compañías de seguros deben ver que el producto por el que pagan 'vale la pena'”, añadió Creek. "De lo contrario, habrá un considerable retroceso en la adopción".

Incluso cuando las innovaciones médicas hacen realidad lo imposible, los tratamientos pueden permanecer financieramente fuera del alcance de las poblaciones de pacientes que más los necesitan.

El lado positivo es que el futuro de la bioimpresión está destinado a un final feliz: no se trata de si esta tecnología podrá aliviar la escasez mundial de órganos, sino de cuándo.

La bioimpresión se utiliza para la ingeniería de tejidos y la investigación de fármacos, específicos de la medicina regenerativa. Puede producir tejido vivo, huesos y vasos sanguíneos, pero todavía no órganos completos.

Los métodos de impresión tridimensional se desarrollaron antes del concepto de bioimpresión, por lo que muchos de los sistemas y hardware existentes están cubriendo las necesidades de la ingeniería de tejidos.

Aunque ambas utilizan métodos similares para crear estructuras tridimensionales, la impresión 3D utiliza materiales no biológicos, como metales, plásticos y cerámicas, mientras que la bioimpresión utiliza un filamento a base de células, conocido como biotinta, hecho de biomateriales vivos.