Explorando la bioimpresión 3D: Revolucionando la ingeniería de tejidos y medicina regenerativa

La bioimpresión 3D se sumergió en el siglo XXI. Es una idea alucinante imprimir tejido humano mediante fabricación aditiva.

Se puede decir que es un paso sobresaliente en medicina regenerativa e ingeniería de tejidos.

En las últimas décadas, esta tecnología se ha usado para intentar crear constructos de tejido funcionales que imiten el tejido humano.

Por tanto, la bioimpresión 3D podría terminar los largos procesos involucrados en ensayos clínicos en animales y humanos de fármacos.

Además, podría ser la solución para la escasez de órganos durante trasplantes que tiende a fallar por rechazo de tejido. Este avance terminaría con el estado desesperado de donación de órganos mundial. Aquí tienes todo lo que necesitas saber sobre bioimpresión 3D.

¿Qué es la bioimpresión 3D?

La fabricación aditiva ha extendido su aplicación en ingeniería de órganos. El proceso implica construir un órgano o tejido en capas (una capa tras otra). Utiliza el enfoque bottom-up de la impresión 3D.

El enfoque capa a capa asegura que depositas células primarias, biónicas y otros materiales de forma específica que imita la arquitectura celular típica.

Así, el proceso conduce a un tejido u órgano sintetizado con la funcionalidad y estructura normal del tejido natural complejo.

En bioimpresión tridimensional, imprimes biomoléculas y células sobre sustratos para formar un patrón particular que mantiene el constructo unido como la forma 3D requerida. Ten en cuenta que la bioimpresión 3D usa células madre humanas vivas, tejidos y más.

Por tanto, debes seguir las modalidades involucradas con tejidos vivos. Estas incluyen biocompatibilidad de células y materiales, sensibilidad celular a tus materiales y métodos de impresión, perfusión y entrega de factores de crecimiento.

Por qué el tejido bioimpreso puede reemplazar animales y humanos en ensayos preclínicos

El proceso de bioimpresión es automatizado. Así, esta automatización asegura patrones celulares precisos y comunicación y organización extracelular controlada.

Además, la fabricación capa a capa del tejido biosintetizado asegura que el tejido impreso tenga poros interconectados.

Por tanto, el tejido u órgano bioimpreso que tiene comunicación intercelular e intracelular mejorada será ideal para fisiología humana in vivo.

Esta característica haría el tejido sintético mejor porque ayuda en los datos obtenidos en ensayos preclínicos también porque el tejido animal puede no predecir suficientemente la respuesta fisiopatológica humana.

¿Cómo funciona la bioimpresión 3D?

En el cuerpo humano, los tejidos se dañan y degeneran a diario. Sin embargo, tus capacidades de regeneración pueden no ser suficientes para lidiar con traumas frecuentes como accidentes o enfermedades cardíacas.

Con el tiempo, tratar tales condiciones depende de trasplante de tejido u órgano. Así, todo el proceso arriesga respuesta inmune o rechazo de injerto.

En resolver los dos problemas, la impresión 3D viene al rescate.

¿Por qué? Porque necesitas un órgano, el objetivo de la medicina regenerativa mediante bioimpresión 3D es proveer a tus células madre el órgano o tejido que necesitas. Luego tendrás el tejido perfecto que no atrae estas respuestas autoinmunes.

El concepto de bioimpresión 3D implica principios de ciencia de materiales y biología humana para sintetizar tejidos y órganos.

Así, el foco principal es restaurar órganos o tejidos dañados, como cirrosis hepática o insuficiencia cardíaca. Por tanto, la idea gira en torno a emular la complejidad biológica nativa del tejido llevando a diferenciación de células madre y regeneración de tejido.

¿Por qué bioimpresión 3D en lugar de donación normal?

En la donación usual, el proceso que lleva a rechazo de tejido u órgano resulta de formaciones celulares e interconexiones, entre otras cosas. Está influenciado por factores de crecimiento, como factores de crecimiento endotelial vascular.

Este proceso es algo aleatorio y no permite distribución personalizada de matrices extracelulares o células. Además, es menos eficiente y consume tiempo. Desde el punto de vista económico y logístico, este inconveniente resulta en inviabilidad del injerto para aplicación clínica.

Así, la fabricación aditiva ayuda a explorar ingeniería de tejidos mediante el enfoque top-down en bioimpresión 3D.

Este enfoque tiene naturaleza controlada en depositar materia lo que ayuda a producir geometrías precisas anatómicamente exactas usando diseño asistido por computadora.

¿Cuál es el propósito de la bioimpresión tridimensional?

Según impresoras 3D Allevi, más de 120.000 ciudadanos estadounidenses necesitan donación de órganos.

Otros innumerables pacientes tienen condiciones crónicas y terminales debido a inmunosupresión post-trasplante y otros por daño a largo plazo de la misma.

Así, la presión aumentada y la necesidad de alternativas de trasplante. La fabricación aditiva ha ayudado a la comunidad científica y médica a componer investigadores multidisciplinares, ingenieros y médicos para enfrentar desafíos de salud humana.

La bioimpresión tridimensional es una herramienta que promete eliminar listas de espera de trasplante de órganos y tejidos. Además, en desarrollo farmacéutico, la bioimpresión tiene una forma más rápida y menos costosa de realizar ensayos clínicos biológicamente relevantes para animales y humanos.

Este dispositivo, por ejemplo, ayuda a cirujanos a unir venas reduciendo complicaciones. La impresión tridimensional también ayuda a ofrecer sistemas de administración de fármacos más fáciles.

Asombrosamente, la futura evolución de la bioimpresión 3D hará ingeniería de tejido óseo, tejido cutáneo, cardíaco, parches de órganos o reemplazo completo usando células madre del paciente.

El objetivo de la impresión 3D es proporcionar a médicos e investigadores una mejor herramienta para tratamientos objetivo con mejores resultados.

¿Cuándo se inventó la bioimpresión 3D?

Esta pregunta nos lleva a principios de 1900 cuando se descubrieron impresoras de matriz de puntos.

Las impresoras tridimensionales capaces de imprimir objetos tangibles desde datos por Charles Hull formaron base para todos los aficionados e ingenieros para imprimir diferentes objetos, incluyendo tejidos y edificios.

Sin embargo, la bioimpresión tridimensional empezó en 2000 cuando alguien creó prótesis e implantes que casi igualaban características del paciente. El campo médico ha adoptado usos no biológicos de impresión 3D más modelado anatómico.

En 2003 Thomas Boland hizo la primera bioimpresora 3D para imprimir tejido vivo usando bio-tinta de sustancias biocompatibles. Tras el avance de 2003 vino la exitosa implantación de la vejiga humana de laboratorio en 2006 y la bioimpresión del primer vaso sanguíneo en 2009.

El procedimiento para bioimpresión 3D

Las estrategias de bioimpresión tridimensional giran en torno a la capa precisa de materiales. El proceso involucra fases de preparación, impresión y post-tratamiento.

En la fase de preparación, diseñas modelos 3D usando gráficos por computadora. Estos modelos deben ser anatómicamente precisos.

También seleccionas la bio-tinta que usarás. Esta selección significa que determinas el tejido muscular o estructura que quieres, así seleccionando los materiales correctos, incluyendo células mamíferas, endoteliales, o cualquier otro tipo que necesites.

El segundo paso implica seleccionar materiales aditivos, y el último paso implica madurar las estructuras fabricadas.

Técnicas de bioimpresión

Puedes realizar bioimpresión ya sea sin andamiaje (scaffold-free) o basada en andamiaje (scaffold-based). Modo basado en andamiaje; la matriz comprende el estrato usado en el proceso de fabricación. Este biomaterial patrea la bio-tinta. Por tanto, puedes usar hidrogel cargado de células, una película o una nanofibra.

Ten en cuenta: el constructo biológico resultante debe imitar de cerca el entorno típico de matriz extracelular. Este aspecto permite que las células de los constructos biológicos aumenten y crezcan.

La bioimpresión sin andamiaje implica depositar agregados de tejido y células como esferoides, cilindros, panales, etc. El segundo proceso implica poner esferoides de tejido en pipetas y luego depositar la pipeta en un espacio confinado del molde de bioimpresora por extrusión.

Luego las células forman su matriz celular, lo que lleva a maduración de tejido; por tanto eliminas el molde.

¿Cuáles son las desventajas de la bioimpresión 3D?

Riesgo de contaminación en bioimpresión por chorro de tinta continuo: la bio-tinta no desviada en el sustrato recircula en tu impresora. La recirculación puede llevar a contaminación.

Falta de componentes de bioimpresión como software inadecuado puede definir moléculas biológicas, biomateriales y colocación celular. Esta falta obstaculiza operaciones de bioimpresión 3D.

En deformación de andamiaje, tus tejidos recién formados pueden fallar si no provees soporte mecánico y estructural. Así debes fabricar constructos 3D estables.

¿Cuántos tipos de bioimpresión hay?

Hay varias técnicas de impresión tridimensional para fabricación y patronaje selectivo de matriz extracelular. Incluyen:

• Impresión por chorro de tinta (Ink-jet)
• Impresión por extrusión
• Bioimpresión asistida por láser
• Bioimpresión estereolitográfica

Bioimpresión tridimensional basada en chorro de tinta

La bioimpresión por chorro de tinta usa bio-tinta y células vivas en bio-papel. La bio-tinta es una suspensión de biomaterial con baja viscosidad, mientras los bio-papeles son sustancias de biomaterial como constructos de polímero, plato de cultivo o sustrato de hidrogel.

Puedes hacer esta técnica de dos formas. La primera es impresión por chorro de tinta continuo. Aquí creas un flujo continuo de gotas al aplicar presión en tu bio-tinta. La presión fuerza la tinta fuera.

Luego aplicas un campo eléctrico que desvía el flujo de bio-tinta en un sustrato. Una canaleta recoge gotas excedentes que no se alinean en el flujo para reuso.

Segundo, tienes bioimpresión por chorro de tinta a demanda. La acción es similar a continuo, excepto que producirás gotas a demanda. Por tanto, aplicarás presión pulsada en lugar de continua.

Transferencia frontal inducida por láser

La transferencia frontal inducida por láser utiliza haces láser para depositar bio-tinta sobre sustratos. Este método ofrece un proceso de escritura sin contacto para impresión tridimensional.

En este método, tienes tres elementos vitales, incluyendo fuente láser (pulsada), cinta recubierta de bio-tinta, y sustrato receptor. Puedes usar láser UV con pulso de nanosegundo como fuente de energía.

Originalmente, LIFT usó pulso láser de alta energía para esculpir características metálicas en sustrato transparente depositándolo directamente. La técnica se extiende como AFA-LIFT.

Asistida por película absorbente (LIFT) para bioimpresión

Aquí, incluirás una capa absorbente metálica en la interfaz de bio-tintas y cinta. Esta capa actúa como capa sacrificial, protegiendo tus células de exposición al láser.

En esta técnica, puedes imprimir directamente células sobre la matriz extracelular. También, puedes imprimirlas como piezas encapsuladas en el proceso de impresión.

Bioimpresión basada en extrusión

La bioimpresión por extrusión se hace de dos formas: Bioimpresión asistida por presión y escritura directa de tinta (DIW). DIW implica proceso de extrusión neumática donde la bioimpresora extruye materiales generando arquitecturas 3D capa a capa.

En impresión asistida por presión, inducirás flujo aplicando estrés superior al estrés de cedencia del aparato. Así, liberarás el estrés de cizalla, y la bio-tinta recupera rigidez tras aplicarla en el sustrato.

Bioimpresión SLA 3D

La bioimpresión SLA depende de la altura de materiales biocompatibles más que de su complejidad.

La técnica construye tejidos complejos capa a capa añadiendo materiales y proyectando luz. Proyectas la luz en tu bio-tinta foto-sensible y curable por calor.

La fotosensibilidad es requisito para biomateriales aquí porque la técnica toma la luz como agente de entrecruzamiento. Así debes incluir moiedades fotocurables como derivados PEG.

Sectores de salud incorporan bioimpresión SLA en técnicas de imagen, incluyendo MRI y TC para mejoras diagnósticas y protésicas.

El sector también la usa para lograr cirugías complejas. La bioimpresión SLA tiene dos categorías: métodos de impresión multifotón y fotón único.

¿Quién podría beneficiarse de la bioimpresión 3D?

Ten en cuenta que la bioimpresión de órganos y tejidos necesita más años de investigación. Pero podríamos anticipar quién se beneficiará mayormente. Aquí una lista de áreas aplicables.

• Bioimpresión de tejido cutáneo
• Bioimpresión de tejido óseo
• Bioimpresión de tejido cartilaginoso
• Bioimpresión de tejido cardíaco

¿Qué es la bioimpresión 3D de tejidos y órganos?

Bioimpresión de tejido cutáneo

La piel humana es compleja con estructuras accesorias como glándulas sebáceas, sudoríparas, pelo y uñas. También tienes diferentes tipos de células y terminaciones nerviosas. El tejido de colágeno es responsable de la elasticidad de tu piel.

La bioimpresión 3D puede imprimir la piel humana, lo que implica darle las propiedades mecánicas necesarias creando todas sus propiedades en cuatro pasos. La primera fase es preparatoria, donde obtienes células madre de piel de una biopsia y las extiendes en cultivo para hacer la bio-tinta.

El segundo paso es la impresión real, seguido de post-procesado, donde las células aumentarán y madurarán.

Finalmente, caracterizas y evalúas la función del tejido cutáneo. Por tanto, la bioimpresión de tejido cutáneo irá lejos para personas con cáncer de piel, enfermedades, quemaduras y problemas con envejecimiento y arrugas.

Bioimpresión de tejido cardíaco

Los trastornos cardiovasculares han continuado causando mortalidad en muchas personas. Condiciones cardíacas comunes incluyen paro cardíaco, infarto de miocardio, insuficiencia cardíaca, angina de pecho, miocardiopatía, etc. Además, arterias y venas han mostrado condiciones crónicas como estenosis.

La triste noticia es que los cardiomiocitos son irremplazables ya que carecen de auto-regeneración o proceso de reparación. Su muerte continua aumenta crecimiento de tejido de colágeno, incrementando riesgo de miocardiopatía. Con estas condiciones, es difícil conseguir donante cardíaco.

Pero con bioimpresión 3D, estas condiciones serán manejables. La bioimpresión de tejido cardíaco es desafiante por la complejidad del músculo, especialmente en alcanzar su naturaleza auto-rítmica.

Bioimpresión de tejido cartilaginoso

El cartílago es un tejido blanco liso cubriendo extremos óseos. Es una estructura compleja hecha de proteoglicanos, colágeno y proteínas.

Sus características destacadas son que el tejido cartilaginoso es avascular, y los sistemas nervioso y linfático no lo alcanzan tampoco.

Por tanto, si lesionas o causas trauma continuamente, podrías terminar con artrosis o deterioro. La ingeniería de tejidos considera actualmente distribuir esos factores biológicos mediante deposición de polietileno y condrocitos en bioimpresión de tejido cartilaginoso.

Bioimpresión de tejido óseo

El tejido óseo es altamente vascularizado y estructuralmente complejo. La osteo-degeneración y fracturas pueden resultar en lesiones y trauma llevando a disfunción de tejido óseo o defecto crónico.

Estas disfunciones y defectos necesitan regeneración ósea que puede ayudar a restaurar el tejido dañado.

La ingeniería de tejido óseo utiliza hidrogeles. Sin embargo, los hidrogeles son incapaces de formar una matriz ósea mineralizada.

Así, la bioimpresión de tejido óseo promete mejores resultados en química controlable y mantenimiento de forma de la integridad del tejido.

¿Qué material puede usarse en bioimpresión?

La tinta debe poseer tus propiedades bioquímicas deseadas, que ayudarán a depositarla en patrones especificados. ¿Por qué?

Porque la bio-tinta facilita interacciones de matriz extracelular y proliferación y crecimiento celular. Además, la tinta debe ser biocompatible para soportar la morfología del tejido deseado.

Para bioimpresión de tejidos cardíaco y cutáneo, necesitarás bio-tinta similar. Puedes elegir polímeros naturales como colágeno, gelatina, alginato o ácido hialurónico.

Si prefieres polímeros sintéticos, podrías elegir ácido poli láctico-co-glicólico, policaprolactona, polietilenglicol. Además, puedes elegir mezcla de biomateriales sintéticos y naturales.

Al seleccionar bio-tinta para tejido óseo, considera especialización celular, funcionalidad y citocompatibilidad.

Puedes usar gelatina, hidroxiapatita; Gelatina para fase preparatoria e hidroxiapatita para ayudar al constructo impreso a imitar el tejido óseo natural.

Resumen

La bioimpresión 3D es una herramienta que promete revolucionar la medicina como la conocemos. Desde ingeniería de tejido cardíaco a estructuras de tejido óseo impresas, la impresión 3D ayudará a enfrentar los tremendos desafíos en salud humana.

En conclusión, estas aplicaciones de ingeniería de tejidos en tejido blando cardíaco, vasos sanguíneos, tejido cartilaginoso, etc., ayudarán a abordar listas de espera de donaciones y mejorar la salud.

Anticipamos migrar de biología celular convencional a medicina avanzada con tejidos y órganos tridimensionales muy pronto.