Bioimpresión 3D en medicina

¿Que es la bioimpresión 3D?

El rápido avance de la tecnología en todas las áreas, no deja de sorprendernos cada día, y como hemos mencionado en anteriores artículos, el campo de la medicina no se queda atrás y en muchas ocasiones va a la vanguardia de estos avances.

El desarrollo de la medicina digital incluye muchos aspectos, entre los que se encuentra el que analizaremos en el artículo de hoy, la bioimpresión 3D en medicina.

Esta es una técnica a través de la cual, utilizando células vivas y biomateriales, se crean estructuras biológicas tridimensionales. Funciona imprimiendo material biológico capa sobre capa, para ensamblarlas en una estructura 3D, y básicamente involucra tres componentes:

1. Células vivas: Se utilizan diferentes tipos de células como células madre, células madre embrionarias, células madre adultas, células dendríticas, condrocitos, etc.
2. Biomateriales: Se usan biomateriales como hidrogeles, polímeros biodegradables, polisacáridos naturales, materiales cerámicos, poliésteres biocompatibles, líquidos de soporte celular y biomateriales imprimibles.
3. Sistema de bioimpresión: Equipos de bioimpresión que permiten imprimir las capas celulares y biomateriales para construir estructuras 3D.

Todos estos materiales ideales para la bioimpresión 3D de órganos deben ser biocompatibles, biodegradables a la velocidad adecuada, permeables al oxígeno y los nutrientes y proporcionar soporte mecánico temporal a las células. Aún se está investigando para descubrir los materiales más adecuados.

Aplicaciones potenciales de la bioimpresión 3D 

• Impresión de tejidos y órganos funcionales para trasplantes, lo que permitiría crear órganos personalizados para cada paciente y marca una gran promesa para la medicina regenerativa y la ingeniería de tejidos. Sin embargo, aún quedan desafíos importantes como producir tejidos vivos con vasos sanguíneos y nervios.
• Implantes personalizados a la medida de cada paciente, como prótesis, marcapasos, andamios de hueso, etc. Esto aumenta la comodidad y eficiencia de los implantes.
• Impresión de modelos anatómicos específicos mediante scaners de imágenes médicas como TC o MRI, que ayudan a planificar cirugías o en la educación médica.
• Existen investigaciones preliminares sobre Impresión de fármacos personalizados y dosis específicas de fármacos para cada paciente, lo que permitiría una medicación más efectiva.
• Diseño e impresión de herramientas quirúrgica específicas para cada caso como pinzas, grifos, guías, etc. Esto facilita y mejora los procedimientos.

Tipos de células que se usan comúnmente en la bioimpresión 3D

Células madre embrionarias: Se extraen de embriones en etapas tempranas del desarrollo. Tienen la capacidad de diferenciarse en cualquier tipo de célula del cuerpo. Sin embargo, plantean problemas éticos.

Células madre pluripotentes inducidas: Son células adultas reprogramadas en el laboratorio para volverse pluripotentes como las células madre embrionarias. No plantean problemas éticos.

Células madre mesenquimales: Se extraen habitualmente de la médula ósea, el tejido adiposo o la sangre del cordón umbilical. Pueden diferenciarse en células de tejidos conjuntivos como hueso, cartílago y grasa.

Fibroblastos: Son células que se encuentran en la dermis y otros tejidos conjuntivos. Se usan comúnmente para regenerar piel y tejidos conectivos.

Condrocitos: Las células que se encuentran en el cartílago. Se utilizan para bioimprimir estructuras de cartílago como la nariz o la oreja.

Células endoteliales: Forman el revestimiento interno de los vasos sanguíneos. Son importantes para bioimprimir estructuras vascularizadas.

¿Qué tipo de células se usan para la bioimpresión 3D de órganos específicos?

Para el hígado:
Células madre hepatocitos: Son células madre del hígado que pueden diferenciarse en hepatocitos, los principales tipos de células del hígado. Se usan comúnmente para bioimprimir tejido hepático.

Hepatocitos: Las células reales del hígado. También se pueden utilizar en bioimpresión de hígado, especialmente alogénicas o xenogénicas (de otro organismo).

Células endoteliales hepáticas: Revestimiento interno de los vasos sanguíneos del hígado. Se necesitan para crear vasos en el tejido hepático impreso.

Para el corazón:
Células madre cardíacas: Se utilizan por su capacidad para evolucionar en diferentes tipos de células cardíacas funcionales.

Miocitos cardíacos: Células musculares del corazón. Los miocitos bioimpresos podrían contraerse y latir coordinadamente.

Células endoteliales cardiacas: Para crear vasos coronarios en el tejido cardíaco impreso.

Células musculares lisas cardiacas: Forman las paredes de los vasos sanguíneos del corazón.

Los investigadores tratan de usar las propias células del paciente (autólogas) para bioimprimir órganos personalizados. Esto es especialmente relevante cuando se trabaja con células madre para mejorar la supervivencia y función del órgano impreso. 

Sin embargo, también se usan células de donantes (alogénicas) o incluso de otras especies (xenogénicas) cuando sea necesario.

Desafíos importantes de la bioimpresión 3D de órganos

1. Crear un soporte vascular: Los órganos elaborados con bioimpresión 3D necesitan un suministro de sangre para sobrevivir, pero crear una red vascular compleja es extremadamente difícil. Esto limita el tamaño de los tejidos que pueden imprimirse.
2. Diferenciar correctamente las células: Es complicado controlar con precisión la diferenciación de las células para que se conviertan en los tipos celulares correctos y funcionales para el órgano deseado.
3. Crecimiento de tejido funcional: Es difícil entender completamente los procesos complejos que hacen que los tejidos naturales se desarrollen, maduren y funcionen correctamente.
4. Crear una conexión nerviosa: Los órganos bioimpresos necesitan ser inervados para funcionar normalmente, pero crear conexiones nerviosas complejas es increíblemente desafiante.
5. Biodegradabilidad de los biomateriales: Los biomateriales utilizados deben degradarse a medida que se forma el tejido nuevo, lo que requiere un control y entendimiento muy precisos.
6. Evitar el rechazo inmunológico: Cuando se usan células de donantes, los órganos bioimpresos enfrentan el riesgo de ser rechazados por el sistema inmunológico del receptor, incluso con el uso de inmunosupresores.
7. Escalabilidad del proceso: Aún es difícil producir órganos con bioimpresión 3D de manera rápida, barata y a gran escala para satisfacer la demanda.

Avances logrados en la bioimpresión 3D de órganos

• Tejido pancreático: En 2017, investigadores de la Universidad de Glasgow lograron con éxito la bioimpresión 3D de tejido pancreático, el cual demostró producir hormonas como la insulina y glucagón.
• Corazón: En 2018, investigadores de Tel Aviv imprimieron estructuras cardíacas tridimensionales con tejido muscular y vascular. Estas demostraron latir y contraerse rítmicamente.
• Hígado parcialmente funcional: En 2019, investigadores de la Universidad de Tel Aviv lograron la bioimpresión 3D de un hígado en 3D con vasos sanguíneos, ductos biliares y varios tipos de células hepáticas. El órgano fue capaz de realizar algunas funciones hepáticas básicas.
• Piel: Se han logrado varios avances significativos en la bioimpresión 3D de piel, incluidos modelos de prueba de concepto con vasos sanguíneos, glándulas sudoríparas y folículos pilosos.
• Tejido renal: En 2021, investigadores de la Universidad de Minnesota imprimieron en 3D pequeños riñones bioartificiales funcionales con vasculatura y ricos en células. Este es el tejido renal bioimpreso más complejo hasta la fecha.

Estos avances muestran el potencial de la bioimpresión 3D de órganos para revolucionar la medicina regenerativa y los trasplantes en el futuro. A medida que los investigadores superen los desafíos actuales, es probable que podamos ver órganos bioimpresos funcionales completos en las próximas décadas.

¿Cómo se asegura la biocompatibilidad de los materiales utilizados en la bioimpresión 3D de órganos?

Hay varias formas en que los investigadores aseguran la biocompatibilidad:

1. Seleccionar materiales que ya se sabe que son biocompatibles: Algunos materiales como el colágeno, la fibrina y los hidrogeles como el alginato ya se usan con seguridad en aplicaciones biomédicas, por lo que representan buenas opciones iniciales.
2. Probar la citotoxicidad in vitro: Esto involucra exponer células vivas al material en el laboratorio y verificar si tiene efectos tóxicos como daño o muerte celular. Esto permite identificar materiales problemáticos de manera temprana.
3. Realizar pruebas in vivo: Algunos investigadores prueban los materiales en animales antes de pasar a pruebas en humanos. Esto ayuda a verificar la seguridad general del material y su biodegradabilidad.
4. Modificaciones superficiales: Se pueden realizar modificaciones químicas o físicas de la superficie del material para mejorar su biocompatibilidad. Esto incluye tratamientos como lisis de plasma y reticulación.
5. Materiales sintéticos bioderivados: Los materiales sintetizados a partir de fuentes naturales tienden a ser más compatibles biológicamente que sus contrapartes sintéticas convencionales.
6. Seleccionar polímeros no tóxicos: Al seleccionar polímeros y materiales sintéticos, es importante evitar la inclusión de monómeros potencialmente tóxicos.

¿Qué desafíos éticos se presentan a la bioimpresión 3D de órganos?

1. Acceso desigual: Los órganos bioimpresos probablemente serán caros al principio, lo que limitaría el acceso a los más ricos. Esto plantea preocupaciones sobre la equidad y la justicia.
2. Problemas de propiedad intelectual: ¿Quién debería poseer la propiedad intelectual de los órganos bioimpresos? ¿Los investigadores? ¿Las empresas de tecnología médica? Esto podría conducir a litigios costosos que retrasen la llegada de esta tecnología a los pacientes.
3. Uso de células madres embrionarias: Extraer células madre de embriones humanos plantea problemas éticos para algunas personas. Estas células son ideales para la bioimpresión, pero requieren un debate ético sobre su uso.
4. Uso sin regulación: Al ser una tecnología nueva, existe el riesgo de que la bioimpresión de órganos se utilice sin una adecuada supervisión ética o regulación gubernamental. Esto podría conducir a resultados inseguros o no deseados.
5. Discriminación genética: A medida que esta tecnología se vuelve más sofisticada, existe el riesgo de que se utilice para crear órganos «mejorados» que solo estén disponibles para los más ricos, creando una mayor desigualdad.
6. Creación de híbridos: Algún día podría ser posible bioimprimir órganos híbridos humano-animal. Esto plantea preocupaciones éticas sobre dónde trazar la línea entre las especies.