¿Es la bioimpresión 3D el futuro de la medicina a medida?

La bioimpresión 3D se ha convertido rápidamente en uno de los segmentos líderes de la industria de la impresión 3D en términos de innovación. Hasta hace poco, el mercado se centraba principalmente en América del Norte, sin embargo, muchas empresas, laboratorios y universidades de todo el mundo también están explorando este campo. Gracias a las técnicas de impresión 3D, las células y los biomateriales se pueden combinar y depositar capa por capa para crear desarrollos biomédicos que tienen las mismas propiedades que los tejidos vivos. Durante este proceso, se pueden usar varios bioenlaces para crear estas estructuras similares a tejidos, que tienen aplicaciones en los campos de la ingeniería médica y de tejidos. Por supuesto, es más que sabido que la meta de todos estos desarrollos es bioimprimir con éxito un órgano humano completamente funcional.

Si bien esta tecnología se considera el futuro de la medicina, todavía hay muchas incógnitas asociadas a este proceso de impresión. A continuación, exploraremos este tema y algunas de las preguntas recurrentes que las personas tienen sobre la bioimpresión. Además, también exploraremos los diferentes procesos de impresión asociados con esta tecnología.

Créditos: Fluid Form

Es un hecho conocido que la demanda de trasplantes continúa aumentando cada año. Solo en la Unión Europea con 28 países miembros, hay 87,000 personas en la lista de espera de trasplantes en 2018, y tan solo 10, 500 recibieron un órgano. Dado que cada año la cantidad de personas en la lista de espera continúa siendo mucho mayor que la cantidad de donantes y trasplantes, la solución parece ser apuntar hacía a la bioimpresión 3D. Un avance esperanzador marcó el campo de la medicina en abril de este año. Un equipo de investigadores de la Universidad de Tel-Aviv (TAU) imprimió con éxito un corazón en 3D usando células humanas. Este corazón coincidía completamente con las propiedades inmunológicas, celulares y anatómicas de un paciente humano. Aunque  aún el tamaño del corazón era de un conejo, pero su complejidad fue un hito en la medicina: «La gente ha logrado imprimir en 3D la estructura de un corazón en el pasado, pero no con células o con vasos sanguíneos. Nuestros resultados demuestran el potencial de nuestro enfoque para la ingeniería de reemplazo de tejidos y órganos personalizado en el futuro», explicó el profesor Tal Dvir, quien dirigió la investigación en este estudio.

Los inicios de la bioimpresión

El primer desarrollo de la bioimpresión data de 1988 cuando el Dr. Robert J. Klebe, de la Universidad de Texas, presentó su proceso Cytoscribing, un método de microposicionamiento de células para crear tejidos sintéticos en 2 o 3D usando un impresora de inyección de tinta clásica. Como resultado de esta investigación, el profesor Anthony Atala de la Universidad de Wake Forest creó el primer órgano en 2002 gracias a la bioimpresión, un riñón a pequeña escala. En 2010, nació el primer laboratorio especializado en impresión 3D: Organovo, que comenzó a trabajar rápidamente con los desarrolladores de Invetech para crear una de las primeras bioimpresoras del mercado, la NovoGen MMX. Organovo se ha posicionado como uno de los líderes en la industria y continúa trabajando en el desarrollo de tejido óseo después de injertar con éxito tejido hepático. También podemos mencionar a la compañía BIOLIFE4D, que fue capaz de imprimir en 3D un corazón humano en miniatura, el primero en los Estados Unidos. Esperamos que más compañías y grupos de investigación puedan lograr este objetivo en los próximos meses.

Primero riñón bioimpreso en 3D por la Universidad Wake Forest.

Uno de los mayores desafíos es el alto costo de los desarrollos y la falta de conocimiento que aún existe. Sin embargo, están comenzando a surgir nuevas técnicas para aumentar las posibilidades de éxito de la bioimpresión 3D y se dividen en 5 categorías diferentes que exploraremos a continuación.

Bioimpresión de inyección de tinta

Esta tecnología se basa en el proceso común de impresión por inyección de tinta. Actualmente, las impresoras 3D con tecnología FDM se modifican para lograr el mismo proceso desde una perspectiva biológica. Consiste en un proceso en el que se depositan capas de biotintas (también llamados biomateriales) sobre un sustrato de hidrogel o placas de cultivo. Esta tecnología puede clasificarse en dos métodos principales: térmicos y piezoeléctricos.

La tecnología térmica utiliza un sistema de calefacción que crea burbujas de aire, se derrumban y proporcionan presión para expulsar las gotas de biotinta. En contraste, la tecnología piezoeléctrica, no utiliza calor para crear la presión necesaria, utiliza la carga eléctrica que se acumula en un material sólido, en este caso una cerámica piezoeléctrica policristalina que está en cada boquilla de impresión. Sin embargo, esta última tecnología puede causar daños a la membrana celular si se utiliza con demasiada frecuencia.

Técnica de bioimpresión de tinta.

Los científicos han hecho grandes avances en el patrón de moléculas, células y órganos con la impresión de inyección de tinta. Moléculas como el ADN se han duplicado con éxito, lo que facilita el estudio de los problemas de cáncer y su tratamiento. Células que ayudan al cáncer de mama también puede ser impresas y conservar sus funciones, con buenas perspectivas para la creación de estructuras de tejidos vivos.

Organovo utiliza la impresión por inyección de tinta para crear tejidos humanos funcionales. Específicamente, están interesados ​​en reproducir tejido del hígado humano. Lo que Organovo intenta hacer es repare alguna parte dañada del hígado del paciente mediante la implantación del tejido, esta solución prolongaría la vida del órgano hasta que el paciente sea elegible para un trasplante.

Bioimpresión por extrusión

Se basa en la extrusión de biomateriales para crear patrones 3D y construcciones celulares. Las biotintas utilizadas para la impresión son usualmente soluciones que se extruyen coordinando el movimiento de un pistón a base de presión o de una microaguja sobre un sustrato estacionario. Después de la aplicación capa por capa se completan los patrones 3D, y tendremos una construcción. Las ventajas de esta tecnología incluyen el procesamiento de temperatura ambiente, la incorporación directa de células y la distribución celular homogénea. Algunas de las bioimpresoras más populares de mercado utilizan esta técnica, que se considera una evolución de la inyección de tinta, como la Bioplotter de EnvisionTec o al bioimpresora 3D de Allevi.

Bioimpresora 3D de Allevi

Bioimpresión 3D asistida por láser

Utiliza como fuente de energía un láser para depositar los biomateriales en un receptor (sustancia). La técnica consta de tres partes: una fuente láser, una cinta recubierta con materiales biológicos que se depositan sobre una película y un receptor. Los rayos láser irradian la cinta, haciendo que los materiales biológicos líquidos se evaporen y lleguen al receptor en forma de gotas, éste contiene un biopolímero que mantiene la adhesión celular y ayuda a las células a comenzar a crecer. En comparación con otras tecnologías, la bioimpresión asistida por láser tiene ventajas únicas, incluyendo un proceso libre de boquillas, libre de contacto, impresión celular de alta actividad y alta resolución, control de gotitas de biointinta y características de impresión precisas.

El líder francés en bioimpresión, Poietis, ha puesto en marcha un programa de reproducción capilar en colaboración con L’Oréal. La empresa utiliza la tecnología de bioimpresión asistida por láser, que le permite depositar células en una geometría particular. Al trabajar con la marca de cosméticos, se beneficia de su know-how en el campo de la biología del cabello. Ahora la compañía está tratando de recrear un folículo piloso que podría resultar ser una solución eficaz para hacer crecer el cabello y una alternativa para hombres y mujeres que padecen problemas de alopecia.

Poietis desarrolla con ayuda de la bioimpresión folículos pilosos para acabar con la alopeci

Estereolitografía

La tecnología SLA consiste en la solidificación de un fotopolímero a través de la iluminación, y tiene la mayor precisión de las tecnologías de fabricación aditiva. Esta puede ser aplicada en bioimpresión imprimiendo con hidrogeles sensibles a la luz. Esta tecnología está todavía en desarrollo, ya que además de las ventajas de la misma, se relacionan con numerosas restricciones, como la falta de polímeros biocompatibles y biodegradables, los efectos nocivos y la imposibilidad de eliminar la estructura de soporte.

Tejido Bioimpreso

Bioimpresión por ondas acústicas

Este método fue desarrollado por la Universidad Carnegie Mellon, la Universidad Estatal de Pensilvania y el MIT, utiliza algo que es llamado pinzas acústicas, un dispositivo microfluídico donde se pueden manipular células o partículas individuales, y el uso de ondas acústicas superficiales. Las ondas se encontrarían a lo largo de cada uno de los tres ejes. En estos puntos de encuentro, las ondas formaran un nodo de captura tridimensional. Las células individuales o los conjuntos completos de ellas se recogen para poder crear patrones 2D y más tarde en 3D. Esta técnica ofrece una actuación en términos de movimientos precisos de una manera no invasiva.

Podemos ver más y más desarrollos asociados con estas tecnologías, nuevas aplicaciones o técnicas. Cada día hay novedades asociadas a estos temas como el ovario funcional creado hace unos meses por la Universidad de Illinois o que ahora los investigadores españoles son capaces de desarrollar piel humana que puede ser implantable, lo sorprendente es que esto solo está comenzando… pero solo hemos hablado de un lado de la moneda, por el otro tenemos posibilidades que no necesariamente consideramos positivas.

La técnica SWIFT

Investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard desarrollaron una nueva técnica de bioimpresión llamada SWIFT (Sacrificial Writing Into Functional Tissue), ya que su nombre sugiere que esta técnica permite la bioimpresión de vasos sanguíneos en tejidos vivos. En otras palabras, imprime en 3D canales vasculares en matrices vivas compuestas de bloques de construcción de órganos derivados de células madre (OBB).

En lugar de tratar de imprimir en 3D las células de un órgano entero, SWIFT se enfoca en imprimir solo los vasos necesarios para soportar una construcción de tejido vivo que contiene grandes cantidades de OBB, que en última instancia se pueden usar terapéuticamente para reparar y reemplazar órganos humanos con cultivos de laboratorio versiones que contienen las propias células de los pacientes. En un experimento, los tejidos específicos de órganos que se imprimieron con canales vasculares incrustados usando SWIFT permanecieron vivos, mientras que los tejidos cultivados sin estos canales experimentaron la muerte celular en 12 horas.

Los tejidos específicos de órganos que se han impreso con canales vasculares integrados con SWIFT han permanecido viables (derecha), mientras que los tejidos desarrollados sin estos canales han sufrido la muerte celular después de 12 horas (izquierda).

¿Cuál es el futuro de la bioimpresión 3D?

Las técnicas de biomedicina buscan desarrollar una medicina personalizada donde los médicos podrán adaptar los tratamientos de acuerdo a las necesidades de cada paciente. Una de las principales preocupaciones de la industria son los costos asociados con esta personalización y quién podrá acceder a ella.

Otra dificultad ética es que hoy es imposible probar la eficacia y la seguridad de estos tratamientos. Después de analizar las diferentes técnicas utilizadas, sabemos que es posible desarrollar órganos funcionales que puedan reemplazar a los órganos humanos, pero aún no es posible evaluar si el cuerpo del paciente aceptará el nuevo tejido o el órgano artificial. Además de todo esto, es necesario considerar las regulaciones legales que deben establecerse antes de que estos avances estén disponibles para un público más amplio.

Sin mencionar que las nuevas tecnologías siempre pueden ser mal utilizadas, y la bioimpresión no es una excepción. Si las tecnologías son capaces de crear órganos o tejidos adaptados a las necesidades específicas de un ser humano, se deben tener en cuenta las posibles consecuencias negativas de este tratamiento a medida. Específicamente en referencia al potencial para la creación de nuevas capacidades sobrehumanas, como huesos o pulmones resistentes que se oxigenan de manera diferente. Un futuro atractivo para algunas personas en todo el mundo, un futuro aún más atractivo para ciertos sectores, como el militar.

Créditos: Cellink

Habiendo discutido anteriormente las técnicas de bioimpresión que hemos observado en el mercado, parece que a pesar de que la tecnología tiene un largo camino por recorrer, imprimir partes del cuerpo será el siguiente paso en el trasplante de órganos. En términos de las partes del cuerpo que hemos visto como bioimpresas, podemos nombrar huesos, córneas, cartílagos, corazones y piel. Estos proyectos de investigación se han llevado a cabo en varias universidades de todo el mundo, en Estados Unidos, Europa y Asia.

Grand View Research, una importante firma de investigación de mercado con sede en San Francisco, reveló que espera que el mercado global de bioimpresión alcance los $ 4,1 mil millones para 2026, registrando una tasa compuesta anual del 19.5%. Se espera que los principales jugadores continúen creciendo en América del Norte, con Estados Unidos manteniéndose fuerte en la primera posición, seguido de Canadá. Muchos países europeos también están trayendo desarrollos a la bioimpresión, siendo el líder actual el Reino Unido.

La Universidad de New Castle imprimió una córnea humana.

Hoy, también es el segmento de material que se espera que crezca, gracias a otras tecnologías como la IA, los científicos pueden determinar más fácilmente las combinaciones de biomateriales correctas para convertir los andamios en tejidos. Se espera que las empresas de bioimpresión se centren en desarrollar más biomateriales, así como en sistemas de bioimpresión con más cabezales de impresión para admitir el uso de más biotintas en la misma impresión. También se espera que el software de bioimpresión se actualice, ofreciendo más capacidades para el usuario. Finalmente, se espera que más sectores empresariales comiencen a aprovechar las capacidades de bioimpresión en su mercado.

Si bien el crecimiento principal que se observará en este mercado se centrará en el desarrollo de tejidos y órganos, es seguro decir que dentro de una década, quizás hablemos más sobre los trasplantes y órganos humanos impresos en 3D. Todavía hay muchas cosas geniales para que los investigadores y científicos descubran en el futuro, pero estamos seguros de que la bioimpresión 3D puede ser uno de los mayores avances médicos que veremos en nuestras vidas. Una verdadera revolución para el futuro de la medicina.

BiogelX es uno de los actores que trabaja en el desarrollo de nuevas tintas biológicas (créditos: BiogelX)

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