Un estudio publicado en Science detalla una nueva técnica para bioimpresión en 3D de tejido de colágeno, la principal proteína estructural del cuerpo y el corazón humano. Este método único lleva el campo de la ingeniería de tejidos un paso más cerca de poder imprimir en 3D un corazón humano adulto completo.
La técnica, conocida como Incrustación reversible de forma libre de hidrogeles suspendidos (FRESH), permitió a los investigadores superar muchos desafíos asociados a los métodos existentes de bioimpresión en 3D y lograr una resolución y fidelidad sin precedentes, utilizando materiales blandos y vivos.
Cada uno de los órganos del cuerpo humano, como el corazón, está construido a partir de células especializadas que se mantienen unidas por un andamio biológico llamado matriz extracelular (ECM). Esta red de proteínas ECM proporciona la estructura y las señales bioquímicas que las células necesitan para llevar a cabo su función normal.
Sin embargo, no era posible reconstruir esta compleja arquitectura ECM utilizando métodos tradicionales de biofabricación. Hasta ahora.
Millones de personas a la espera de un corazón
Adam Feinberg, profesor de ingeniería biomédica en la Universidad Carnegie Mellon de Pittsburgh, Pensilvania, cuyo laboratorio realizó este trabajo, explica que «lo que demostramos es que podemos imprimir fragmentos de las células y el colágeno del corazón en partes que realmente funcionen, como una válvula cardíaca o un pequeño ventrículo que late».
«Mediante el uso de datos de resonancia magnética de este órgano, podemos reproducir con precisión la estructura anatómica específica del paciente, el colágeno bioimpreso en 3D y las células del corazón humano», continúa el investigador.
En la actualidad, más de cuatro mil pacientes en Estados Unidos esperan un trasplante de corazón. En España, el número total de pacientes en lista de espera a lo largo de 2017 fue 493 (de los cuales 304 se trasplantaron. Recordemos que España sigue siendo líder mundial en donación y trasplante de órganos, tras 27 años consecutivos a la cabeza mundial).
Aunque lo cierto es que lo que ocurre en nuestro país es excepcional. Porque millones de personas en todo el mundo necesitan corazones pero, en muchos casos, ni siquiera pueden optar a la lista de espera. La necesidad de órganos de reemplazo es inmensa y se precisan nuevos enfoques para diseñar órganos artificiales que sean capaces de reparar, suplementar o reemplazar la función del órgano a largo plazo.
El colágeno, material idóneo para la bioimpresión 3D
El doctor Feinberg, miembro de la Iniciativa de órganos de bioingeniería de Carnegie Mellon, trabaja para resolver estos desafíos con una nueva generación de órganos de bioingeniería que replica más estrechamente las estructuras de los órganos naturales.
«El colágeno es un biomaterial perfecto para la impresión en 3D porque constituye literalmente todos los tejidos del cuerpo«, aclara Andrew Hudson, del laboratorio de Feinberg y co-primer autor del artículo.
«Sin embargo, lo que hace que sea tan difícil de imprimir en 3D es que comienza como un fluido, por lo que si se intenta imprimir en el aire, se forma un charco en su plataforma de construcción. Así que desarrollamos una técnica que evita que se deforme», comenta Hudson.
El método FRESH de bioimpresión en 3D desarrollado en el laboratorio de Feinberg permite que el colágeno se deposite capa por capa dentro de un baño de gel soporte, dándole así la oportunidad de solidificarse antes de retirarle baño soporte.
Con FRESH, el gel soporte se puede derretir fácilmente al calentarlo desde la temperatura ambiente hasta la temperatura corporal una vez completada la impresión. De esta manera, los investigadores pueden eliminar el gel soporte sin dañar la estructura impresa hecha de colágeno o células.
Diseños de código abierto para bioimpresión en 3D del corazón
Este método es realmente emocionante para el campo de la bioimpresión 3D porque permite imprimir andamios de colágeno a gran escala de órganos humanos, incluido el corazón. Y no se limita al colágeno, ya que una amplia gama de otros geles blandos como fibrina, alginato y ácido hialurónico pueden bioimprimirse en 3D utilizando la técnica FRESH, proporcionando una plataforma de ingeniería de tejidos robusta y adaptable.
Es importante destacar que los investigadores también desarrollaron diseños de código abierto para que casi cualquier persona, desde laboratorios médicos hasta clases de ciencias de la escuela secundaria, pueda construir y tener acceso a bioimpresoras 3D de bajo costo y alto rendimiento.
Mirando hacia el futuro, FRESH tiene aplicaciones en muchos aspectos de la medicina regenerativa, desde la reparación de heridas hasta la bioingeniería de órganos. Pero es solo una pieza del enorme campo, el de la biofabricación, en crecimiento.
Avances en ingeniería de tejidos y órganos
«Realmente estamos hablando de la convergencia de tecnologías. No solo lo que hace mi laboratorio en bioimpresión, sino también otros laboratorios y pequeñas empresas en las áreas científicas de células madre, aprendizaje automático y simulación por ordenador, así como nuevos hardware y software de bioimpresión 3D», reconoce Feinberg.
Para el profesor, «es importante comprender que aún quedan muchos años de investigación por recorrer, pero estamos entusiasmados por los progresos en la ingeniería de tejidos y órganos humanos funcionales. Este documento es un paso en ese camino».
