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PRESENTE Y FUTURO DE LA BIOIMPRESIÓN EN 3D

Posted by on Ago 10, 2015 | 0 comments

PRESENTE Y FUTURO DE LA BIOIMPRESIÓN EN 3D

El objetivo de la reproducción celular en 3D, es principalmente y desde un punto de vista médico, alargar y mejorar la calidad de vida de las personas, más concretamente, con la creación de órganos y tejidos que puedan ser implantados en un paciente sin rechazo alguno, y sin listas de espera, trabajando siempre a partir de las células del propio paciente.

Esta técnica, no se concibe sin su predecesor, el cultivo celular en 2D. Este tipo de cultivo, tenía limitaciones como no poder reproducir la morfología y las características bioquímicas que las células poseen en su tejido original. Por ejemplo, las células derivadas del hueso o el cartílago, tienen un comportamiento diferente en un entorno 2D que en 3D. Esto se debe a que para reproducir un mejor ambiente fisiológico, las células deben unirse unas a otras y no a una herramienta de laboratorio.

Con el avance de las tecnologías, llegaron las impresoras 3D, y con ellas la oportunidad de conseguir el medio necesitado para este tipo de cultivo innovador.

 CULTIVOS CELULARES

 Los primeros pasos realizados en torno al cultivo de células se dieron en 1866, cuando Von Recklinghausen colocó células sanguíneas de anfibios en diversas condiciones yconsiguió mantener su viabilidad durante más de treinta días.Según pasaba el tiempo se seguían realizando experimentos de este tipo, pero el primer cultivo celular, en sentido moderno, fue realizado por Ross Harrison en 1907.En el experimento aisló trozos de pared del tubo neural de un embrión de rana y los mantuvo en un coagulo linfático de un animal adulto, observando cómo las células crecían y se iban diferenciando hasta formar fibras nerviosas. Con este estudio se afirmó la hipótesis de Ramón y Cajal de que las terminaciones nerviosas solo se forman a partir de las neuronas. [1]

El uso de cultivos celulares en 2D está bien para observar la difusión, en el núcleo, de una molécula de ARN a alta resolución. Pero no es óptimo cuando queremos observar el comportamiento de un sistema biológico en el que interactúan cientos de células en un entorno tridimensional, por ejemplo si queremos observar los efectos que puede tener un fármaco en el cerebro de un ser humano. Para poder observar las interacciones entre células, con la matriz de soporte o con la matriz extracelular, se necesitan cultivos celulares en 3D. Griffith y Swartz 2006; Nelson y Bissell 2006.

IMPRESORAS 3D

 La impresión 3D es un proceso que permite crear objetos tridimensionales sólidos a partir de un modelo digital utilizando procesos aditivos con aporte de material de modo que el objeto va creándose mediante capas sucesivas de dicho material.

Las primeras patentes de técnicas de impresión en 3D surgieron en 1993, y en 2009apareció la primera bioimpresora 3D comercial (capaz de fabricar tejidos orgánicos).

Podemos hablar de distintos tipos de impresión tridimensional: estereolitografía (aplicación de un láser ultravioleta a una resina sensible a la luz contenida en un cubo), impresión por láser, impresión por inyección e impresión por eposición de material fluido.[4]

Aplicaciones biomédicas de las impresoras 3D, que se pueden agrupar en tres grupos:

  • ·Ingeniería de tejidos:

La bioimpresora 3D tiene dos cabezas robotizas, una de ellas deposita las células humanas que forman el tejido y la otra deposita una matriz de soporte. Se van añadiendo sucesivas capas del matriz de soporte y de células y estas se van asociando para obtener la forma deseada sin tener que imprimir un molde de dicha forma.También hay procesos que permiten crear un molde de colágeno y rellenarlo con células para replicar órganos, por ejemplo una oreja.

  • ·Elementos óseos:

Otra aplicación de las impresoras 3D es la creación de prótesis dentales y otros huesos. El proceso consiste en crear una base de un material que posteriormente permite a las células que generan los huesos crecer. Después ese material se disuelve sin consecuencias nocivas.

  • ·Fármacos:

El proceso normal de creación de fármacos implica poner elementos químicos en una cubeta para generar una reacción. El proceso deimprimir en 3D puede aplicarse para crear fármacos ya que involucra el uso de jeringuillas controladas robóticamente, de modo que se pueden construir fármacos empleando una biotinta con una textura de gel, donde los químicos y catalizadores se mezclan.Esto consiste en imprimir el agente reactivo primero y luego disponer el resto de capas de químicos por encima, añadiendo al final gel.

APLICACIONES DE LA BIOIMPRESIÓN EN 3D EN LA ACTUALIDAD.

Hay múltiples tipos de impresoras o bioprinters en la actualidad, todas funcionan con tinta compuesta de células aunque nos vamos a centrar en la inyección de tinta,utilizadas sobre todo para la reconstrucción de células epiteliales.

Aunque la impresión 3d está presente en múltiples aplicaciones actuales, como los implantes, las prótesis a medida, la cirugía reconstructiva o fabricación de piezas dentales, vamos a centrarnos a las aplicaciones centradas en la bioimpresión y a su vez en la bioimpresión aplicada a la medicina, pues es una disciplina muy actual conun mundo aún por descubrir, estamos dando nuestros primeros pasos con este tipo de técnicas.

 RECONSTRUCCIÓN DE HUESOS Y CARTÍLAGOS

Existen muchos tipos de materiales que se usan en la bioimpresión 3D. La impresión con células no es exclusiva de la bioimpresión. Materiales como el polvo de titanio,que además de ser biodegradable es biocompatible, también son usados para reparar partes del cuerpo o remplazar daños tumorales en cartílagos y huesos.

En la actualidad, esta tecnología de última generación es usada para desarrollar prótesis diseñadas para sustituir la parte sólida en los huesos en pacientes que han perdido masa ósea por culpa de un traumatismo o una enfermedad.

El avance de esta tecnología es poder diseñar piezas (de materiales cerámicos, titanio o plásticos) con capacidad de absorberse de nuevo por el cuerpo, y a la medida del paciente; es decir, ajustándose perfectamente a las condiciones deseadas. [5]

 

craneo

 

CREACIÓN DE VASOS SANGUÍNEOS (BIOIMPRESIÓN EN 3D DE VASOS SANGUÍNEOS)

El mayor obstáculo al que se enfrenta la bioimpresión de órganos hoy por hoy es la vascularización de los órganos por lo complejo del sistema de venas, arterias y capilares.Como solución se puede dejar el espacio necesario en el tejido impreso por las venas, las cuales se añadirían más tarde .

Investigadores de la Universidad de Pensilvania y el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) han descubierto un modo de imprimir vasos sanguíneos, usando azúcar como “tinta” en una bioimpresora. [6]

Estos investigadores anteriormente citados se centraron en la vascularización de órganos en vez de imprimir un gran volumen de tejido dejando los canales por los que circularían las venas en una aproximación capa a capa.

Para estas impresiones en 3d diseñaron un filamento en un sistema vascular el cual se sostiene sobre un molde , se consigue poder eliminar el molde y la plantilla una vez desarrollado el tejido alrededor de los filamentos. La fórmula de la tinta es una combinación de sacarosa y glucosa con dextreno y un refuerzo estructural.

Se imprime con una impresora 3D de código abierto con un extrusor diseñado paran ello y un software de control.

Para estabilizar las plantillas de azúcar es necesario aplicar una fina película de polímero biodegradable derivado del maíz .con este recubrimiento se consigue que la plantilla de maíz se disuelva y salir del gel a través de canales sin inhibir la solidificación ni dañar las células de alrededor.

Cuando se ha eliminado el azúcar, se deja fluir un líquido a través de la estructura vascular y las células empiezan a recibir nutrientes de los órganos impresos con esta tecnología.

CÉLULAS MADRE

Este tipo de tecnología permite la impresión 3D con células madre.Las células madre embrionarias pueden mantener su pluripotencial, es decir adquirir posteriormente las características que las diferencian de cualquier otro tipo de célula (ósea, muscular,…) .Por todo esto son una opción atractiva para la bioimpresión 3D de distintos órganos y huesos.

Con la impresión 3D se ha conseguido que la universidad escocesa Heriot Watt produzca unos racimos de células madre mediante un método de impresión de válvulas para mantener estas células en un alto nivel de variabilidad y producir esferoides de un tamaño uniforme y precisión adecuada tal como ha publicado la revista Biofabrication [7], Interesándose sobre todo en la obtención de células hepáticas responsables del metabolismo de medicamentos en el organismo.

En la industria farmacéutica se experimenta actualmente con células o con animales,así la capacidad de imprimir tejido humano permitirá modernizar los test farmacéuticos llegando incluso a acabar con la experimentación farmacéutica en animales.Y también aunque de momento inviable podría llegar a ser el presente en la medicina personalizada, pudiendo probar medicamentos en los tejidos antes de llegar a tomarlo para ver la respuesta en nuestro organismo.

Otro uso seria la implantación de las propias células dentro del propio cuerpo “in situ”,evitando así los rechazos de órganos con el avance tanto económico como en materia de salud que este avance conllevaría.

Pero de momento es futuro porque nos encontramos ante la dificultad anteriormente descrita; la vascularización de tejidos y órganos para transportar nutrientes y eliminar deshechos dentro del órgano impreso y poder asegurar así la supervivencia del órgano implantado dentro del huésped.

Por otro lado cada vez que se trabaja con células madre embrionarias se ha de considerar el factor ético, ya que al crear estas células se destruyen los embriones, otra cuestión ética es que una vez que tenemos células madre, se pueden replicar indefinidamente en el laboratorio.

La solución planteada para esta biotecnología es el uso de células llamadas iPS (induced pluripotent sten cells) las cuales se generan sin destruir embriones humanos a partir de cualquier célula, como por ejemplo la piel. Este tipo de células se llevan a su estado embrionario (en este estado no se pueden distinguir de las células madre embrionarias).Aunque todavía se sigue investigando este tipo de células, a largo plazo no requerirá la destrucción de embriones acabando con el factor ético. 

GENERACIÓN DE PIEL

 Los injertos de piel llevan tiempo formando parte de los tratamientos médicos convencionales y además de destructivos (hay que coger piel de otra parte del cuerpo del trasplantado), son extremadamente dolorosos.Unos Estudiantes de la Universidad de Leiden (Holanda) han conseguido unir dos tecnologías, la impresión 3D y el uso de células iPS creando células madre a partir de células ya diferenciadas, y como estas células iPS se obtienen a partir de células del paciente se reduce las respuestas inmunes del paciente al tejido injertado.Es una técnica muy útil cuando se va a tratar heridas de gran tamaño, ya que es muy difícil encontrar injertos de la piel de tamaños grandes.

TEJIDOS Y ÓRGANOS

 Organonovo es una empresa de bioimpresoras la cual fue la primera en comercializar impresoras capaces de reproducir tejidos humanos. Esta bioimpresora se ha usado para generar tejido hepático con sus distintos tipos celulares (hepatocitos, células estrelladas y endoteliales).

Gracias a la generación de este tejido hepático se puede ensayar sobre estos “mini hígados” y ver cómo responden a los medicamentos, enfermedades y agentes patógenos.Pero de momento la impresión de órganos y tejidos para el trasplante humano es una herramienta al alcance en un futuro no inmediato. [8]

 

tejidos

 

EL FUTURO

 Es difícil hacer una separación clara entre el hoy y el futuro en la bioimpresión 3D, ya que en muchos casos se solapan las aplicaciones y por otra parte estamos rozando lo que podríamos llamar la ciencia-ficción, donde los problemas éticos se sobrevienen.

TRASPLANTE DE ÓRGANOS

Como ya se ha explicado arriba, uno de los grandes problemas es conseguir la vascularización de los tejidos y órganos. Pero viendo que ya hay pasos en lograr vasos capilares, el trasplante de órganos a partir de células del mismo paciente está ahí, por ejemplo en EEUU la mitad de los pacientes en espera de uno, muere, se calcula que alrededor de 18 personas/ día y por otra parte la grave problemática del rechazo de órganos trasplantados, siendo necesario la utilización de inmunodepresores con los problemas que ello acarrea e incluso no siendo suficientes y el rechazo al nuevo órgano se produce igual. [9,10,11]

Otro punto interesante, es el intento de creación de mini páncreas para los diabéticos que suponen en el mundo unos 366 millones de personas en 2011 y causado 4,6 millones de muertes en 2011; para 2030, esta cifra habrá aumentado hasta alcanzar los 552 millones.

Como se puede deducir, los dilemas éticos aparecen,ya que con los trasplantes de órganos a partir de células madre de uno mismo, cuando un órgano se deteriore o envejezca, podría ser sustituido por otro nuevo, rozando con ello la inmortalidad del individuo.

FÁRMACOS

Otro punto futurible, enlazado con el punto de arriba es, no sólo la fabricación de fármacos con bioimpresoras, sino también la realización de los estudios clínicos necesarios antes de su salida al mercado, al poder fabricar mini órganos en laboratorio y probar clínicamente y específicamente sobre ellos dichos fármacos, disminuyendo los tiempos y los recursos empleados, con el beneficio tanto para las compañías farmacéuticas como, sobre todo, para la humanidad [11].Un campo muy interesante, por su importancia, es el ensayo de fármacos sobre tumores cancerígenos.

 

pastis

 

BIOIMPRESIÓN IN SITU 

Continuando con la regeneración de tejidos, sobre todo de la piel, huesos, se están desarrollando técnicas que permitan a las células ser impresas directamente sobre o dentro del ser humano, ya que con brazos robóticos quirúrgicos con punta de cabezas Bioprint se podrían reparar el daño a nivel celular, los pacientes que hoy día tienen que descansar y recuperarse durante unos días o semanas, con materiales bioprinted totalmente fusionados en el tejido vivo madurarían más rápìdamente, con menos probabilidad de infecciones, con mayor exactitud y precisión de reparación del daño, con lo cual podrían recuperarse de la cirugías muy importantes en menos de una semana.

Este es el caso de investigadores de la Universidad de Wake Forest en Carolina del Norte, en colaboración con el Instituto de las Fuerzas Armadas para la Medicina Regenerativa de EE.UU., han bioimpreso céulas directamente sobre heridas de la piel de ratones, para acelerar el proceso de curación [12].

CIRUGÍA PLÁSTICA

 Siguiendo con la bioimpresión in situ, otro avance sería dentro de la cirugía plástica, por ejemplo, se pueden crear impresoras de cara, donde en un mismo proceso con el láser se evaporaría la piel existente y al mismo tiempo reemplazarlo con nuevas células retirando arrugas, manchas y demás, incluso la gente podía descargar una cara de internet y ser aplicada en su rostro. Otra alternativa, se podría tener su propio rostro escaneado en una edad joven y luego se vuelve a aplicar cada pocos años para alcanzar la tan buscada eterna juventud.

ALIMENTOS

Otro campo de aplicación es la bioimpresión de alimentos, la empresa alemana Biozoon Smartfood se ha especializado en el desarrollo de productos que proveen alternativas de alimentación para enfermos y personas de la tercera edad, con geles, polvos y espumas [13].

Otra empresa, en este caso norteamericana, Modern Meadow , hace carne cruda usando una bioimpresora 3D, Creada por Gabor y Andras Forgacs, padre e hijo,el start-up quiere llevar la impresión en 3D a un nivel completamente nuevo, curiosamente Forgacs cofundó Organovo, una de las firmas pioneras en la impresión de estructuras con objetivos medicinales que en 2010, bioimprimió exitosamente vasos sanguíneos hechos de las células de un individuo.

Referencias:

[1]:Breve historia de los cultivos de tejidos animales. Miguel A. Reigosa ,Abel N. Rodríguez*

[3]:La impresora 3D

[4]:Funcionamiento y tipos de impresoras 3D

[5]: Leon S. Dimas,Graham H. Bratzel, Ido Eylonand Markus J. Buehler.Tough.Composites Inspired by Mineralized Natural Materials: Computation, 3D printing, andTesting.Advanced Functional Materials Vol 23 Issue 36

[6]: Jordan S. Miller, Kelly R. Stevens, Michael T. Yang, Brendon M. Baker. Rapidcasting of atterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensionaltissues. Nature Materials 11,768-774 (2012).

[7] Alan Faulkner-Jones et al 2013 Biofabrication 5 015013. Development of a valve-based cell printer for the formation of human embryonic stem cell spheroid aggregates.

[8]: Sean V Murphy , Anthony Atala. 3D bioprinting of tissues and organs. Nature Biotechnology 32,773–785. (2014).

[9]: Mironov, V. ; Makoto Nakamura, M. Bioprinting is coming of age: report from the International Conference on Bioprinting and Biofabrication in Bordeaux (3B’09). Biofabrication (2010) 010201.

[10]: Labashosky, M.; Monto, K. Bioprintng tisuue for the creation of organs: the future of transplantation. Session C2 4090.

[11]: Ozbolat, I.; Yin Yu. Bioprinting Toward Organ Fabrication: Challenges and Future Trends. IEE Transactions on biomedical engineering, vol. 60, no. 3, March 2013.

[12]:Future Technologies : Bioprinting

[13]: Biozoon food innovations

 

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