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Bioimpresión, el futuro de la medicina: las impresoras 3D ya pueden crear partes del cuerpo humano

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En los últimos años, las actualizaciones en las tecnologías de impresión 3D han permitido a los investigadores médicos imprimir cosas que no eran posibles de hacer con la versión anterior de esta tecnología, incluidos alimentos, medicamentos e incluso partes del cuerpo.

Por: Interesting Engineering. Traducción libre del inglés de Morfema Press

En 2018, los médicos del Ontario Veterinary College imprimieron en 3D una placa de titanio personalizada para un perro que había perdido parte de su cráneo después de una cirugía de cáncer.

“Al realizar estos procedimientos en nuestros pacientes animales, podemos proporcionar información valiosa que se puede usar para mostrar el valor y la seguridad de estos implantes para los humanos”, dijo en ese momento la oncóloga quirúrgica veterinaria Michelle Oblak. “Estos implantes son el próximo gran salto en la medicina personalizada que permite que cada elemento de la atención médica de un individuo se adapte específicamente a sus necesidades particulares”.

Y no solo para pacientes animales.

¿Qué es la bioimpresión 3D?

La bioimpresión 3D es la utilización de tecnologías de impresión 3D para fabricar partes del cuerpo. Las bioimpresoras funcionan de manera similar a las impresoras 3D. Sin embargo, en lugar de depositar materiales como plástico o cerámica, depositan capas de biomaterial, incluidas células vivas, para construir estructuras complejas como vasos sanguíneos o tejido de la piel.

Las células requeridas se toman de un paciente y luego se cultivan. Estas celdas generalmente se combinan con un material de soporte o andamio. Este portador suele ser un tipo de gel de biopolímero, que actúa como un andamio molecular 3D y brinda protección a las células durante el proceso de impresión. Las células se adhieren al gel, que es lo suficientemente resistente para permitir la impresión y lo suficientemente flexible para permitir el flujo y la difusión de nutrientes y el movimiento de las células. Esta combinación de células encapsuladas y geles de biopolímeros es la biotinta utilizada por los ingenieros biomédicos para crear estructuras similares a tejidos impresas en 3D.

Primero se realizan diseños y modelos informáticos detallados, a menudo basados ​​en exploraciones como imágenes por resonancia magnética o tomografías computarizadas tomadas directamente de un paciente. Luego, los cabezales de impresión de precisión depositan células y tintas biológicas exactamente donde se necesitan y, en el transcurso de varias horas, se construye un objeto orgánico utilizando una gran cantidad de capas muy delgadas.

Las células se mantienen vivas utilizando nutrientes licuados y oxígeno durante todo el proceso.

En la etapa posterior a la impresión, las estructuras pueden reticularse con luz ultravioleta o soluciones iónicas para hacerlas más estables. Las células se estimulan química y mecánicamente para controlar la remodelación y el crecimiento de los tejidos. Luego, el producto impreso en 3D se coloca en una incubadora para permitir que las células crezcan.

Cuando esté lista, la estructura debe usarse lo antes posible, a menos que la bioimpresión 3D se combine con técnicas de crioconservación , algo que los investigadores del Brigham and Women’s Hospital y la Escuela de Medicina de Harvard lograron el año pasado.

El trabajo, publicado el 21 de diciembre, mostró cómo el equipo pudo imprimir tejidos en 3D en una placa fría a -4 °F (-20 °C), después de lo cual se conservaron en un congelador a -320,8 °F (-196 °C). Los tejidos, dijeron los investigadores, se pueden descongelar en cuestión de minutos para su uso inmediato.

Tendones y ligamentos

En 2018, ingenieros biomédicos de la Universidad de Utah desarrollaron un método para imprimir ligamentos y tendones en 3D . El método implica primero tomar células madre del paciente e imprimirlas en una capa de hidrogel para formar un tendón o ligamento. Esto se deja crecer in vitro en un cultivo antes de ser implantado. Sin embargo, el proceso fue muy complejo, porque el tejido conectivo está formado por diferentes células en patrones complejos. Primero, el equipo necesitaba desarrollar un cabezal de impresora especial que pudiera depositar células humanas de la manera altamente controlada que requieren.

Para hacer esto, el equipo se asoció con la empresa Carterra, Inc., con sede en Utah, para desarrollar un cabezal de impresión especializado que les permitiera depositar células en patrones complejos. Luego, el cabezal de impresión se conectó a una impresora 3D que normalmente se usa para imprimir anticuerpos para el tratamiento del cáncer.

Con esta técnica, los científicos lograron imprimir en 3D células madre extraídas de la grasa corporal de un paciente en una capa de hidrogel. Este hidrogel facilita el crecimiento celular in vitro en un cultivo, formando un ligamento o un tendón en el proceso.

Luego, el nuevo tejido se implanta en el área dañada del cuerpo del paciente, lo que elimina la necesidad de procedimientos adicionales de reemplazo de tejido.

Los tejidos de reemplazo para quienes los necesitan a menudo se extraen de otras partes del cuerpo del paciente o de un cadáver. Sin embargo, el tejido de cadáveres corre un alto riesgo de ser rechazado por los tejidos circundantes o de ser de mala calidad e ineficaz.

En cambio, los tejidos creados a partir de las propias células del paciente pueden reducir las complicaciones relacionadas con un trasplante y acelerar el proceso de curación.

Bioimpresión de la piel y cicatrización de heridas

La bioimpresión 3D también podría ayudarnos a despedirnos de los injertos de piel en un futuro próximo, ya que los médicos podrían imprimir en 3D nueva piel para cada paciente.

El injerto de piel es el trasplante de piel sana de un animal, un donante humano o el propio cuerpo del paciente a otra parte de su cuerpo donde la piel está gravemente dañada. El procedimiento se usa comúnmente para tratar heridas graves, quemaduras, úlceras e infecciones, o después de la extirpación de cánceres de piel.

Pero la técnica implica varios riesgos, desde hemorragias y pérdida de sensibilidad hasta infecciones, cicatrización y rechazo.

Esta es la razón por la que los científicos del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine (WFIRM) están trabajando en un sistema móvil de bioimpresión de piel junto a la cama que podría permitir a los médicos imprimir piel en dos capas directamente sobre la herida del paciente.

“El aspecto único de esta tecnología es la movilidad del sistema y la capacidad de proporcionar un tratamiento in situ de heridas extensas al escanearlas y medirlas para depositar las células directamente donde se necesitan para crear piel”, dijo Sean Murphy , Ph.D., profesor asistente de WFIRM que fue el autor principal del artículo.

Para hacer esto, los científicos aislaron ciertas células de la piel de una biopsia de tejido sano y las cultivaron. Después de eso, combinaron las células con un hidrogel y las colocaron en la bioimpresora. El dispositivo imprimió las células en el área dañada siguiendo los datos extraídos del escaneo de la herida a través de un software.

Nuevamente, debido a que las células se toman del propio cuerpo del paciente, existe un riesgo mucho menor de rechazo.

Mientras tanto, en Dublín, científicos de la Universidad RCSI de Medicina y Ciencias de la Salud desarrollaron un andamio de hidrogel con plasma natural rico en plaquetas (PRP) que tiene propiedades regenerativas prometedoras. El compuesto se puede utilizar como biotinta para acelerar el proceso de cicatrización de heridas en tejidos impresos en 3D.

“La bibliografía existente sugiere que, si bien el PRP ya presente en nuestra sangre ayuda a curar las heridas, todavía se pueden producir cicatrices”, dijo el profesor de RCSI Fergal O’Brien. «Al imprimir PRP en 3D en un andamio de biomaterial, podemos aumentar la formación de vasos sanguíneos y al mismo tiempo evitar la formación de cicatrices, lo que lleva a una cicatrización de heridas más exitosa».

Vasos sanguíneos

Quizás el objetivo final de la bioimpresión 3D sea ensamblar órganos funcionales y resolver el problema del trasplante de órganos.

Actualmente, hay más de 100.000 personas esperando un órgano en la lista de espera nacional de trasplantes de EE. UU . Aproximadamente 17 de ellos mueren cada día porque no reciben el órgano que necesitan. Esto se debe en gran parte a la falta de donantes. Aunque alrededor del 60% de los estadounidenses están registrados como donantes, la donación de órganos solo es posible en 3 de cada 1000 muertes.

La bioimpresión 3D de órganos podría salvar muchas vidas, pero los científicos luchan por crear las estructuras vasculares necesarias para crear órganos impresos viables. Todos los órganos, incluidos los impresos en 3D, necesitan un suministro de sangre continuo y eficaz para evitar la muerte de las células y los tejidos.

En octubre de 2021, un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología Technion de Israel logró imprimir estructuras de vasos sanguíneos en 3D para agregar un suministro de sangre a los implantes de tejido.

Estas estructuras crecieron espontáneamente después de que el equipo implantara células endoteliales de la capa interna de los vasos sanguíneos del cuerpo en un andamio de colágeno polimérico.

Sin embargo, estos son solo microvasos que se pueden usar para mejorar el desarrollo de tejido in vitro; no podrían «alimentar» un órgano completo y, hasta ahora, no permiten la integración de tejidos cultivados en laboratorio en el sistema vascular del paciente.

Este estudio muestra que todavía queda un largo camino por recorrer hasta que podamos imprimir órganos en 3D bajo demanda. Pero, ¿quién sabe qué técnicas pueden desarrollar los científicos para resolver este problema en el futuro?

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