La bioimpresión es una aplicación biomédica de procesos de fabricación aditiva para producir tejidos biológicos artificiales. La bioimpresión se puede definir como la estructuración espacial de células vivas y otros productos biológicos mediante el apilamiento y el ensamblaje utilizando un método de deposición asistida por computadora capa por capa para desarrollar tejidos y órganos vivos para ingeniería de tejidos, medicina regenerativa, farmacocinética y más. En general la investigación en biología. Esta es una innovación reciente que coloca simultáneamente las células vivas y los biomateriales capa por capa para hacer tejido vivo. El uso principal de los órganos impresos es el trasplante. Actualmente se están llevando a cabo investigaciones sobre estructuras artificiales del corazón, riñones, hígado y otros órganos vitales. Para órganos más complejos como el corazón, también se han investigado construcciones más pequeñas como las válvulas cardíacas. Algunos órganos impresos ya han alcanzado la implementación clínica, pero principalmente implican estructuras huecas como la vejiga y estructuras vasculares.

Historia
En 1938, Alexis Carrell, Premio Nobel de Medicina, y Charles Lindbergh, el pionero de la aviación e inventor apasionado, propusieron cultivar órganos. Y debemos esperar la aparición de la medicina regenerativa que busca reemplazar las células dañadas del cuerpo humano con órganos sanos para que aparezcan los primeros trasplantes. Sin embargo, el riesgo de rechazo por parte del paciente es importante y requiere precauciones por parte de la profesión médica.

Este es el siglo 21 que la tecnología de la bioimpresión. Permite la fabricación personalizada de tejidos u órganos con las células del paciente, minimizando así el riesgo de rechazo. Consiste en un ensamblaje de constituyentes de tejidos biológicos (células) predefinidos por diseño digital. El objetivo es tratar de reproducir la organización tridimensional de las células como lo hace naturalmente el cuerpo humano. Esta tecnología utiliza el principio capa por capa de la impresión 3D. La bioimpresión se define como una tecnología disruptiva porque resulta de la agrupación de conocimientos en física, biología, mecánica e informática. Las aplicaciones son limitadas hoy en día debido al reciente descubrimiento de esta tecnología, pero a largo plazo, las aplicaciones esperadas son muchas e innovadoras.

La impresión de órganos en 3D se utilizó por primera vez en 2003 por Thomas Boland de la Universidad de Clemson, quien patentó el uso de la impresión por chorro de tinta para las células. El método usó un sistema modificado para la deposición de células en matrices tridimensionales colocadas sobre un sustrato.

Desde los primeros experimentos de Boland, se ha desarrollado la impresión 3D de estructuras biológicas, también conocida como bioimpresión. Se han desarrollado nuevas técnicas de impresión, por ejemplo, impresión por extrusión.

La impresión de órganos se vio rápidamente como una solución potencial a la escasez global de órganos para trasplante. Los órganos impresos ya se han trasplantado con éxito. En particular, tejidos como la piel, tejido vascular, como los vasos sanguíneos u órganos huecos, como la vejiga. Los órganos artificiales suelen estar hechos de las propias células del receptor, lo que elimina los problemas relacionados con los riesgos de rechazo.

La impresión de órganos más complejos es objeto de una intensa investigación en todo el mundo. Por ejemplo para el corazón, páncreas, hígado o riñones. A partir de 2017, esta investigación aún no había conducido al trasplante.

Funcionalidad
Un bioprinter funciona de manera similar a una impresora 3D basada en el proceso FDM. Una extrusora construye moldes a partir del tejido, en este caso no es termoplástico como el ABS, sino un gel polimérico, para. B. Sobre la base de alginato, con células vivas encapsuladas. Organovos Bioprinter deja caer gotitas utilizando otra tecnología prometedora, cada una de las cuales contiene entre 10,000 y 30,000 células individuales. Estos son estimulados posteriormente por factores de crecimiento adecuados incluso en estructuras tisulares funcionales.

Los bioprinters tienen componentes especiales, como la regulación de la temperatura, que es muy importante para una impresión adecuada.

Uso medico
Para fines médicos, los bioprinters (en el campo experimental) se conocen desde el año 2000. Incluso hoy en día no es posible imprimir experimentalmente órganos que consisten en varios tipos de tejidos. La investigación tiende a orientarse más hacia la construcción de agregaciones celulares relativamente gruesas a través del proceso de impresión, que luego «madura» en órganos a través del autoensamblaje biológico. Un problema importante es, por ejemplo, la generación de un sistema de vasos sanguíneos en funcionamiento.

Sin embargo, parece bastante concebible que los bioprinters u órganos creados con ellos algún día puedan reemplazar los órganos de los donantes. Una ventaja de los órganos bioprinter es el ajuste preciso al cuerpo deseado. Para los órganos del donante es necesario esperar hasta que haya un órgano disponible que se ajuste lo mejor posible. Sin embargo, generalmente es poco probable que un órgano donante esté disponible. El «tiempo de presión» de un órgano artificial que dura varias horas puede ser una barrera en las lesiones por accidentes agudos. Los trasplantes que se imprimen con una impresora 3D normal y están hechos de metal o plástico no cuentan como bioimpresión porque no se usan celdas. En el proceso de impresión 3D ya se producen fragmentos óseos más pequeños o prótesis dentales hechas de fosfato de calcio. Sin embargo, es habitual utilizar el material de ganado especialmente criado para huesos.

Biología sintética
En biología sintética, los bioprinters podrían usarse para imprimir nuevas formas de vida. Un resultado sensacional en biología sintética fue un «medusoide», una «medusa» artificial de células musculares de rata y silicona que podían nadar. Sin embargo, esto no solo fue generado por un Bioprinter.

Industria de alimentos
Además, para producir alimentos como la carne, los bioprinters podrían utilizarse en una escala masiva. Según la compañía, Modern Meadow ya imprimió sabrosa carne, que se produjo con menos esfuerzo que el ganado y el sacrificio. La empresa quiere acabar con la matanza. Actualmente, no hay carne «impresa» disponible comercialmente, aunque esto ya sería posible en términos de sabor y salud. El profesor Stampfl del Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales de la Universidad Tecnológica de Viena estimó que el costo de una pieza de carne impresa sería de al menos 50.000 euros en 2013.

La sátira de tal industria alimentaria ya se presentó en la película «Brust oder Keule» en 1976, en la que Louis de Funès desempeña el papel principal e invade secretamente una fábrica en la que, por ejemplo, el pollo se produce artificialmente.

panorama
En 2017, los logros de la impresora biológica siguen siendo limitados, los científicos buscan mejorar y desarrollar las tecnologías existentes. La hipótesis de una tecnología de bioimpresión funcional ofrecería muchas perspectivas de aplicaciones.

Trasplante
El objetivo principal sigue siendo el injerto quirúrgico. La impresión de órganos desde las células del receptor también ayuda a evitar el riesgo de rechazo. Esto podría salvar miles de vidas, disminuir el costo de la atención médica y satisfacer las demandas cada vez mayores de órganos. Cabe señalar que el número de solicitantes de órganos casi se duplicó entre 2006 (12,531 solicitantes) y 2014 (20,311). Pero se necesita tiempo y experiencia para llegar allí porque tiene que crear una vascularización compleja para oxigenar y alimentar al órgano. Y actualmente, es difícil reconstituir vasos sanguíneos complejos. Además, los órganos creados solo son viables por un tiempo limitado y son por el momento de un tamaño pequeño. Entonces son inutilizables en los humanos. Para crear y responder a la escasez de órganos se esperará unos años más.

El objetivo de la impresión de la piel es especialmente capaz de tratar quemaduras de gran tamaño creando tejidos adaptados a la herida del paciente 38. Actualmente, los trasplantes se realizan mediante la extracción de tejido no dañado del cuerpo del paciente (autoinjerto) o mediante donaciones de piel. Esta operación es a menudo dolorosa o sancionada por el rechazo del sistema inmunológico. Según el Dr. Marc Jeschke: «el 90% de las quemaduras se producen en los ingresos bajos y medios, con una mayor mortalidad y morbilidad, los sistemas de salud bien equipados y el acceso inadecuado a las instalaciones de tratamiento de quemaduras. La regeneración de la piel utilizando las propias células madre del paciente puede reducir significativamente El riesgo de muerte en los países en desarrollo «. Cabe señalar que el número de trasplantes realizados en Francia está aumentando: 4.428 en 2006 y 5.357 en 2014, pero estas cifras siguen siendo muy bajas en comparación con las solicitudes, ya que solo un trimestre en 2006 y poco más de un tercio en 2014 de los solicitantes. podría haber sido injertado.

La mejora y la difusión de las impresoras permitirían imprimir tejidos celulares individuales de las células madre del paciente para injertarlos. Luego, con la instalación de impresoras biológicas en hospitales para imprimir tejidos vivos a pedido y personalizados. Pero también se prevé la impresión directa de tejidos en o en el cuerpo humano mediante la impresión de secuencias de capas de células: para producir injertos, tejidos que se pueden implantar directamente en el paciente. Entonces la bioimpresión sería una solución para crear tejido a partir de las células del paciente.

Prótesis
Prótesis bioimpresas: La impresión con bioprótesis y materiales de implantes limitaría el riesgo de rechazo e infección del receptor. Los investigadores confían en el uso de materiales totalmente orgánicos y células madre para lograr esto. Tenga en cuenta que este tipo de trasplante se usaría solo para ciertas patologías como las traqueotomías, que dejan secuelas graves como la pérdida del habla y un alto riesgo de infección.

Investigación médica
La bioimpresión permite producir tejidos biológicos para la experimentación en investigación médica, farmacéutica y toxicológica. El objetivo es crear tejidos individualizados, hechos de las células del paciente, lo que permite seleccionar in vitro en estos tejidos los tratamientos y desarrollar soluciones terapéuticas personalizadas. «Uno de los principales problemas que enfrentan estas compañías es la capacidad de evaluar con precisión la toxicidad de los nuevos tratamientos en las células humanas, en particular en las del hígado. Entre 1990 y 2010, el 25% de los tratamientos se retiraron del mercado o quedaron varados en la fase 3 Por efectos tóxicos en el hígado «. Este tipo de aplicación también podría llevar a reducir el costo de las búsquedas.

En el campo del cáncer, por ejemplo: podría ser posible a través de la reconstrucción 3D de los tejidos propios del paciente (teniendo en cuenta el entorno celular del tumor) probar la quimioterapia. La impresión en serie de tumores cancerosos permitiría a los investigadores probar compuestos y, por lo tanto, atacar las moléculas más efectivas para una mutación determinada. Por el momento, los pacientes son utilizados como conejillos de indias para estas pruebas. El tiempo actual de desarrollo de los tratamientos es largo y podría acelerarse por bioimpresión de tejido enfermo.

El uso de telas bioimpresas podría reducir el costo y el proceso de investigación y desarrollo de nuevos tratamientos. Según un estudio, «Entre 1997 y 2011, las 12 principales compañías farmacéuticas gastaron $ 802.5 mil millones en investigación y desarrollo para aprobar finalmente 139 tratamientos nuevos. El proceso que lleva a la comercialización de un solo medicamento, por lo tanto, cuesta un promedio de $ 5,77 mil millones. En otras palabras, el 40% del dinero invertido no fue más allá de la etapa de laboratorio «. Las compañías de cosméticos y farmacéuticas brindan un importante apoyo financiero a los laboratorios de investigación de bioimpresión.

Impresión in vivo
Imprimir en vivo es imprimir directamente el tejido del paciente. Por ejemplo, BioPen puede reparar fracturas y heridas inyectando una mezcla de células madre con un gel de biopolímero (extracto de algas: proteínas que aceleran la regeneración). Esta mezcla se combina en el BioPen, es suficiente para superponer capas sucesivas en la superficie del hueso o cartílago faltante para llenar el área dañada. Una fuente ultravioleta unida a la pluma solidifica instantáneamente la sustancia. Con el tiempo, el gel protector se degrada y las células se multiplican y se disocian para convertirse en células nerviosas, musculares y óseas para reparar el área. Esta técnica permite una mayor precisión y reduce el tiempo de cirugía. Ella apareció en la Universidad de Wollongong en Australia y las pruebas de laboratorio son concluyentes, pero los ensayos clínicos comenzarán en breve en el Hospital St Vincent en Melbourne. Entonces puede ser posible reparar una fractura al instante y por qué no también reparar la piel y los órganos. La impresión in vivo se ha probado notablemente en heridas grandes quemadas con la esperanza de curar heridas serias directamente en el campo de batalla, por ejemplo.

Carne sintetica
Una empresa emergente estadounidense, Modern Meadow, reunió $ 350 000 para crear una impresora 3D capaz de imprimir carne. Esta tecnología podría evitar matar animales para alimentar a los humanos y hacer que la producción de carne sea más ecológica y económica.

Transhumanismo
La implantación de prótesis podría aumentar la esperanza de vida al reemplazar partes del cuerpo humano e incluso crear cuerpos sobrehumanos, como el oído biónico creado por científicos de la Universidad de Princeton.

Impacto
La bioimpresión en 3D contribuye a avances significativos en el campo médico de la ingeniería de tejidos al permitir que se realicen investigaciones sobre materiales innovadores llamados biomateriales. Los biomateriales son los materiales adaptados y utilizados para imprimir objetos tridimensionales. Algunas de las sustancias bioingeniería más notables son generalmente más fuertes que los materiales corporales promedio, incluidos los tejidos blandos y los huesos. Estos constituyentes pueden actuar como sustitutos futuros, incluso mejoras, para los materiales originales del cuerpo. El alginato, por ejemplo, es un polímero aniónico con muchas implicaciones biomédicas, entre las que se incluyen la viabilidad, una fuerte biocompatibilidad, una baja toxicidad y una mayor capacidad estructural en comparación con algunos de los materiales estructurales del cuerpo. Los hidrogeles sintéticos también son comunes, incluidos los geles basados ​​en PV. El Instituto de Medicina Wake Forest ha evaluado la combinación de ácido con un agente de reticulación a base de PV iniciado con UV y se ha determinado que es un biomaterial adecuado. Los ingenieros también están explorando otras opciones, como la impresión de micro-canales que pueden maximizar la difusión de nutrientes y oxígeno de los tejidos vecinos. Además, la Agencia de Reducción de Amenazas de la Defensa tiene como objetivo imprimir mini órganos como corazones, hígados y pulmones como la posibilidad de realizar pruebas. Medicamentos nuevos con mayor precisión y tal vez eliminen la necesidad de pruebas en animales.

Aspectos legales
Como la bioimpresión es una tecnología relativamente nueva y aún no tiene éxito, sus aspectos legales aún contienen problemas generales. Esto incluye regulaciones, patentes, problemas relacionados con estos, así como la ley de propiedad intelectual.

La bioimpresión (y la mayoría de las tecnologías de biofabricación en general) aún no están disponibles para el público en general. Por lo tanto, las soluciones sugeridas sobre los diversos problemas legales de esta tecnología en los párrafos siguientes son solo proposiciones.

Políticas y Regulaciones
La intervención del Estado en los aspectos de investigación y regulación de las nuevas tecnologías es crucial para el futuro de esta última. Con respecto a la bioimpresión, las regulaciones excesivamente restrictivas podrían resultar en la creación de un mercado negro de órganos impresos. Porque si el acceso a productos impresos biofuncionales es demasiado difícil, de hecho podría conducir a un mercado secundario donde no se garantizaría ni el servicio ni la calidad de los productos.

Las siguientes proposiciones provienen de Jaspar L. Tran y están tomadas de su artículo «Para hacer una o no bioimpresión»:

Prohibición
La solución más simple probablemente sería prohibir todas las actividades relacionadas con la bioimpresión, pero esto tendrá el efecto de poner fin a una tecnología que tiene el potencial de salvar muchas vidas humanas a largo plazo. Otra solución sería una prohibición con una excepción para investigación y emergencias. Es una solución similar a la anterior pero, esta vez, con permiso para continuar la investigación y la experimentación. Sin embargo, las cuestiones de personas calificadas para realizar trabajos de investigación, fuentes de financiamiento (privado / público), etc., aún no se han debatido.

Autorregulación
Una solución diametralmente opuesta a la prohibición sería implementar, sin ninguna regulación. Así que el estado cuenta con sus ciudadanos y su capacidad para regular el mercado ellos mismos. Esto se basa en el supuesto de que los individuos harán cosas «justas» y éticas. En el caso de la bioimpresión, esto puede ser considerado debido a que la bioimpresión conlleva poco riesgo. El estado todavía podría apoyar esta tecnología a través de la educación y la difusión de instrucciones de seguridad para el público en general, por ejemplo. Sin embargo, esto eliminaría la posibilidad de tener patentes para nuevos inventos en esta área, lo que podría disminuir el presupuesto de investigación. Siempre existe la posibilidad de financiar la investigación a través de.

Concesión de patentes y propiedad intelectual.
Las patentes y la propiedad intelectual dominan cualquier nueva tecnología con un gran potencial para la comercialización y la bioimpresión es, por supuesto, parte de este tipo de tecnología. Según podemos identificar cinco categorías principales a las que pueden pertenecer las diferentes patentes sobre bioimpresión:

Materiales de matriz de hidrogel / extracelular (ECM)
Aislamiento y crecimiento celular.
biorreactor
Métodos de fabricación / distribución.
Nuevos métodos de impresión 3D.

Patentes Pro Razones
Debemos poder presentar patentes sobre bioimpresión para promover la innovación y permitir que los inventores recuperen un retorno de su inversión. Tenga en cuenta que la bioimpresión aún está en su infancia y sin investigación adicional y el desarrollo de dicha tecnología es probable que se estanque al igual que la tecnología de clonación, por ejemplo.

Problemático
El problema con el patentamiento de la bioimpresión es el hecho de que la ley generalmente prohíbe el patentamiento de un organismo humano (ver patentabilidad de la vida). Pero las cosas no son tan simples en el caso de la bioimpresión. Se debe saber que un producto es patentable si es creado por el hombre y no aparece convenientemente en la naturaleza.

Técnicamente, todo lo relacionado con la bioimpresión es el resultado del ingenio y la creación humana: los procesos de fabricación y los órganos bioimpresos. El punto que es más difícil de probar es el hecho de que un producto bioimpreso no aparece naturalmente en la naturaleza. Si un órgano o tejido impreso es una réplica exacta de un órgano o tejido humano, el producto bioimpreso no puede ser patentado. Por lo tanto, los tejidos bioimpresos, aunque son muy similares a los tejidos humanos (a nivel funcional), son (por el momento) estructuralmente diferentes de estos últimos, lo que les permite ser patentables.

Una solución que podría evitar los diversos desafíos y la oposición a la patentabilidad de los productos bioimpresos sería patentar el proceso de fabricación y no el producto como tal.

Debate ético y social
La bioimpresión es un tema que interesa a más y más investigadores, como lo demuestra la literatura científica cuyo número de artículos sobre el tema está aumentando rápidamente, desde 2012 hasta 202 en 2015. Sin embargo, la bioimpresión es una tecnología que podría desencadenar muchos debates éticos y plantear una serie de cuestiones morales.

En 2016, investigadores de la Universidad Nacional de Singapur publicaron un artículo en el que proponían un enfoque metódico e integral para poner las cuestiones éticas a la vanguardia de la investigación en bioimpresión.

Estratificación social
La bioimpresión es una tecnología reciente y potencialmente costosa. Puede ser accesible solo a una pequeña fracción de la población en mejores condiciones. El acceso desigual a esta tecnología podría llevar a la estratificación social que divide a las personas en función de sus ingresos y permitiría a los más ricos vivir más tiempo y con mejor salud.

Uso de células madre.
La bioimpresión se basa en particular en el uso de células madre que tienen la ventaja de poder multiplicarse y especializarse. Dependiendo del origen de estas células (embriones), pueden surgir cuestiones éticas y sociales.

Los riesgos
El uso de células madre y la intensa multiplicación celular necesaria para la creación de órganos de síntesis sugieren que no se excluyen ciertos riesgos de proliferación celular. Estos riesgos incluyen la formación de teratomas o cánceres, así como el desplazamiento o la migración de los implantes. La mayoría de los estudios de bioimpresión han mostrado resultados convincentes a corto plazo, pero es necesario realizar estudios in vivo para evaluar los riesgos a largo plazo.

Debate sobre células madre embrionarias (ESC)
Los embriones son una fuente muy interesante de células madre pluripotentes para la ingeniería de tejidos, pero la recopilación y el uso de embriones son un tema muy debatido. Estos debates están influenciados en particular por factores culturales y religiosos.

Diferentes posiciones de las religiones.
En 2003, un estudio publicado en Avances en Medicina Experimental y Biología en febrero de 2003 informa cómo las diferentes religiones perciben la investigación sobre células madre embrionarias y la clonación terapéutica y reproductiva.

Los católicos y ortodoxos prohíben la investigación sobre la EIS y rechazan todas las formas de clonación.

Los protestantes aceptan la investigación sobre CSE y la clonación terapéutica si se realizan de manera razonable y ética, pero rechazan la clonación reproductiva.

Los musulmanes, al igual que los protestantes, aceptan la investigación y la clonación terapéutica, siempre que esto se haga en embriones de menos de 4 meses. Se niegan, sin embargo, a la clonación reproductiva.

Los judíos, por su parte, aceptan la investigación y la clonación siempre que el clon sea estéril y que los embriones hayan usado menos de 40 días.

Finalmente, con respecto a los budistas, se oponen a la investigación sobre ESC y la clonación terapéutica. Por otro lado, aceptan la clonación reproductiva siempre que no se realice ninguna modificación genética.

Diferencias en las percepciones por país
En 2006, se publicó un informe (Más allá de la permisibilidad de la investigación con células madre y embrionarias: requisitos sustantivos y garantías procesales) que contiene un análisis comparativo de las regulaciones actuales sobre el uso y la investigación de las ESC en más de países. La investigación con células madre embrionarias varía mucho de un país a otro.

La clonación terapéutica está prohibida en Francia, Alemania, España, Italia, Austria, Irlanda, Israel, Suecia, Bélgica, India, Canadá y Australia. Por el contrario, está autorizado en el Reino Unido, Dinamarca, Japón, los Países Bajos y Corea. Se puede observar que las posiciones varían de un país a otro a pesar de su proximidad geográfica, prohibiéndose la clonación terapéutica en Irlanda pero permitida en el Reino Unido.

La mayoría de los países que han adoptado un reglamento que prohíbe la investigación y el uso de embriones utilizan como justificación ética que solo una de las manipulaciones para mejorar las condiciones de desarrollo y la salud del embrión son aceptables. Por lo tanto, al permitir solo la investigación que beneficia a los embriones y dejar de lado cualquier otro propósito científico, esta política confiere un estatus legal a los embriones.

Por el contrario, algunos países aceptan ampliamente la investigación sobre los embriones y sus células madre porque consideran que es más importante reducir el sufrimiento y la muerte de los humanos (a diferencia de los embriones humanos). Así esta investigación es considerada y regulada como una investigación terapéutica. En varios países, como Suiza, Japón, Francia, Brasil e Islandia, aceptamos la investigación de embriones in vitro siempre que contribuya a los principales avances en el campo terapéutico.

Estas fuertes diferencias en las percepciones podrían influir fuertemente en cómo podría aceptarse la bioimpresión. Por lo tanto, es importante estudiar y reflejar que estas percepciones son complejas y están relacionadas en gran medida con la influencia de la religión, la cultura y la política.