Impresión de órganos

Un órgano imprimible es un dispositivo construido artificialmente diseñado para el reemplazo de un órgano, producido mediante técnicas de impresión 3D. El propósito principal de los órganos imprimibles es en el trasplante. Actualmente se están realizando investigaciones sobre las estructuras artificiales del corazón, los riñones y el hígado, así como otros órganos principales. Para órganos más complicados, como el corazón, construcciones más pequeñas como válvulas cardíacas también han sido objeto de investigación. Algunos órganos impresos se acercan a los requisitos de funcionalidad para la implementación clínica, y principalmente incluyen estructuras huecas como la vejiga, así como estructuras vasculares como tubos de orina.

La impresión 3D permite que la construcción capa por capa de una estructura de órgano particular forme un andamio celular. Esto puede ser seguido por el proceso de siembra de células, en el que las células de interés se pipetean directamente en la estructura del andamio. Además, se ha explorado el proceso de integración de las células en el propio material imprimible, en lugar de realizar una siembra posterior.

Se han utilizado impresoras de inyección de tinta modificadas para producir tejido biológico tridimensional. Los cartuchos de la impresora se llenan con una suspensión de células vivas y un gel inteligente, este último se utiliza para proporcionar estructura. Los patrones alternativos del gel inteligente y las células vivas se imprimen utilizando una boquilla de impresión estándar, y las células eventualmente se fusionan para formar tejido. Una vez completado, el gel se enfría y se lava, dejando solo las células vivas.

Historia
La impresión 3D para producir una construcción celular se introdujo por primera vez en 2003, cuando Thomas Boland de Clemson Universidad Patentado el uso de impresoras inkjet para celdas. Este proceso utilizó un sistema de puntos modificado para la deposición de células en matrices 3D organizadas colocadas sobre un sustrato.

Desde los hallazgos iniciales de Boland, la impresión 3D de estructuras biológicas, también conocida como bioimpresión, se ha desarrollado aún más para abarcar la producción de estructuras de tejidos y órganos, a diferencia de las matrices celulares. Además, más técnicas para la impresión, como la bioimpresión por extrusión, se han investigado y posteriormente se han introducido como un medio de producción.

La impresión de órganos se ha abordado como una solución potencial para la escasez global de órganos de donantes. Los órganos que se han impreso e implementado con éxito en un entorno clínico son planos, como la piel, vasculares, como los vasos sanguíneos, o huecos, como la vejiga. Cuando los órganos artificiales se preparan para el trasplante, a menudo se producen con las propias células del receptor.

Los órganos más complejos, es decir, aquellos que consisten en estructuras celulares sólidas, están siendo investigados; Estos órganos incluyen el corazón, el páncreas y los riñones. Las estimaciones de cuándo pueden introducirse tales órganos como un tratamiento médico viable varían. En 2013, la empresa Organovo produjo un hígado humano utilizando la bioimpresión 3D, aunque no es adecuado para el trasplante, y se ha utilizado principalmente como medio para la prueba de drogas.

Enfoques
Los investigadores han desarrollado diferentes enfoques para producir órganos sintéticos vivos. La bioimpresión en 3D se basa en tres enfoques principales: biomimetismo, autoensamblaje autónomo y construcción de mini bloques de tejidos.

Biomimetismo
El primer acercamiento a la bioimpresión se llama biomimetismo. El objetivo principal de este enfoque es crear estructuras idénticas a las estructuras naturales. La biomimetismo requiere la duplicación de la forma, el marco y el microambiente de los órganos y tejidos. La aplicación de biomimetismo en bioimpresión implica la copia idéntica de las partes celulares y extracelulares de los órganos. Para que este enfoque tenga éxito, se requiere la replicación del tejido a una escala de micras. Este grado de precisión implica comprender el microentorno, la naturaleza de las fuerzas biológicas, la organización precisa de las células, los factores de solubilidad y la composición y estructura de la matriz extracelular.

Auto-ensamblaje
El segundo enfoque utilizado en la bioimpresión es el autoensamblaje autónomo. Este enfoque se basa en el proceso físico natural de desarrollar órganos embrionarios. Cuando las células se encuentran en su fase inicial de desarrollo, crean su propio bloque de construcción de matriz extracelular, producen la propia señalización celular adecuada y adoptan el diseño y la microarquitectura necesarios para proporcionar las funciones biológicas esperadas. El autoensamblaje autónomo requiere el conocimiento de los procesos de desarrollo de tejidos y órganos en el embrión. El autoensamblaje autónomo se basa en las capacidades celulares como el bloque de construcción fundamental de la histogénesis. Por lo tanto, esta técnica requiere una comprensión muy completa de los mecanismos de desarrollo del tejido embrionario, así como los microambientes en los que crecen los tejidos.

Mini tejido
El tercer enfoque de la bioimpresión es una combinación de enfoques biomiméticos y de autoensamblaje. Esta técnica se conoce como “mini-tejidos”. Los órganos y tejidos están hechos de componentes funcionales muy pequeños. El enfoque de mini tejido es tomar estas piezas pequeñas y colocarlas en una estructura más grande. Este enfoque utiliza dos estrategias diferentes. La primera estrategia es usar esferas de células autoensambladas en telas a gran escala, utilizando patrones naturales como guía. La segunda estrategia es desarrollar reproducciones precisas y alta calidad de tela y permitirles montarlas automáticamente en grandes telas funcionales a escala. La mezcla de estas estrategias es necesaria para imprimir una compleja estructura biológica tridimensional.

La impresión de órganos tiene un gran potencial para que las tecnologías NBIC (nano, bio, información y cognitivas) avancen la medicina y los procedimientos quirúrgicos, para ahorrar tiempo, reducir costos y crear nuevas oportunidades para pacientes y pacientes. profesionales de la salud.

Técnicas de impresión 3D
La impresión 3D para la fabricación de órganos artificiales ha sido un tema importante de estudio en ingeniería biológica. A medida que las rápidas técnicas de fabricación que conlleva la impresión 3D se vuelven cada vez más eficientes, su aplicabilidad en la síntesis de órganos artificiales se ha hecho más evidente. Algunos de los principales beneficios de la impresión 3D radican en su capacidad para producir estructuras de andamios en masa, así como en el alto grado de precisión anatómica en los productos de andamios. Esto permite la creación de construcciones que se asemejan más efectivamente a la microestructura de un órgano natural o estructura de tejido.

La impresión de órganos mediante impresión 3D se puede realizar mediante una variedad de técnicas, cada una de las cuales confiere ventajas específicas que pueden adaptarse a determinados tipos de producción de órganos. Dos de los tipos más importantes de impresión de órganos son la bioimpresión basada en gotas y la bioimpresión por extrusión. Existen muchos otros, aunque no son tan comúnmente usados, o todavía están en desarrollo.

Bioimpresión basada en gotas (inyección de tinta)
La bioimpresión basada en la gota crea construcciones celulares utilizando gotas individuales de un material designado, que a menudo se ha combinado con una línea celular. Al entrar en contacto con la superficie del sustrato, cada gota comienza a polimerizarse, formando una estructura más grande a medida que las gotas individuales comienzan a unirse. La polimerización es instigada por la presencia de iones de calcio en el sustrato, que se difunden en el bioink licuado y permiten la formación de un gel sólido. La bioimpresión basada en gotas se usa comúnmente debido a su velocidad eficiente, aunque este aspecto lo hace menos adecuado para estructuras orgánicas más complejas.

Bioimpresión por extrusión
La bioimpresión por extrusión implica la deposición constante de un material de impresión y una línea celular en particular desde un extrusor, un tipo de cabezal de impresión móvil. Esto tiende a ser un proceso más controlado y suave para la deposición de material o células, y permite que se usen mayores densidades celulares en la construcción de estructuras 3D de órganos o tejidos. Sin embargo, estos beneficios se ven contrarrestados por las velocidades de impresión más lentas que conlleva esta técnica. La bioimpresión por extrusión a menudo se acopla con la luz UV, que fotopolimeriza el material impreso para formar una construcción más estable e integrada.

Materiales de imprenta
Los materiales para la impresión 3D suelen consistir en polímeros de alginato o fibrina que se han integrado con moléculas de adhesión celular, que apoyan la unión física de las células. Tales polímeros están diseñados específicamente para mantener la estabilidad estructural y ser receptivos a la integración celular. El término “enlace biológico” se ha utilizado como una amplia clasificación de materiales que son compatibles con la bioimpresión 3D.

Los materiales de impresión deben ajustarse a un amplio espectro de criterios, uno de los más importantes es la biocompatibilidad. Los andamios resultantes formados por materiales impresos en 3D deben ser física y químicamente apropiados para la proliferación celular. La biodegradabilidad es otro factor importante, y asegura que la estructura formada artificialmente pueda descomponerse tras un trasplante exitoso, para ser reemplazada por una estructura celular completamente natural. Debido a la naturaleza de la impresión 3D, los materiales utilizados deben ser personalizables y adaptables, siendo adecuados para una amplia gama de tipos de células y conformaciones estructurales.

Los alginatos de hidrogel se han convertido en uno de los materiales más utilizados en la investigación de la impresión de órganos, ya que son altamente personalizables y pueden ajustarse para simular ciertas propiedades mecánicas y biológicas características del tejido natural. La capacidad de los hidrogeles para adaptarse a las necesidades específicas les permite ser utilizados como un material de andamio adaptable, que son adecuados para una variedad de estructuras de tejidos u órganos y condiciones fisiológicas. Un reto importante en el uso del alginato es su estabilidad y lenta degradación, lo que dificulta que el andamio de gel artificial se rompa y se reemplace con la matriz extracelular de las propias células implantadas. El hidrogel de alginato que es adecuado para la impresión por extrusión también es a menudo menos estructuralmente y mecánicamente sólido; sin embargo, este problema puede estar mediado por la incorporación de otros biopolímeros, como la nanocelulosa, para proporcionar una mayor estabilidad. Las propiedades del alginato o el polímero mezclado bioink son ajustables y pueden alterarse para diferentes aplicaciones y tipos de órganos.

Estructuras organicas
Si bien muchos de los desafíos técnicos de la impresión de órganos se comparten con otras aplicaciones de la bioimpresión 3D, hay algunos elementos estructurales específicos del órgano que deben abordarse para la creación exitosa de un órgano impreso transplantable.

Vascularización
La transferencia de nutrientes y oxígeno a las células a través de un órgano impreso es esencial para su función. En tejidos muy pequeños o delgados de menos de un milímetro de espesor, las células pueden recibir nutrientes a través de la difusión. Sin embargo, los órganos más grandes requieren el transporte de nutrientes a las células más profundas dentro del tejido, lo que requiere que el tejido esté vascularizado y, por lo tanto, pueda recibir sangre para el intercambio de carga como el oxígeno y los desechos celulares. Las técnicas tempranas de impresión de órganos crearon tejidos sólidos que no podían vascularizar, o se vascularizaron solo lentamente a medida que los vasos sanguíneos del huésped ingresaban al trasplante, lo que provocaba problemas como la necrosis en el interior del tejido que puede poner en peligro la salud y la recuperación exitosa de un receptor de trasplante. Las técnicas desarrolladas más recientemente permiten crear órganos impresos con una estructura 3D más compleja, incluida la vasculatura interna preexistente, que permite una integración más rápida del trasplante en el sistema circulatorio del huésped. Existen múltiples técnicas para crear sistemas vasculares actualmente en desarrollo. Un método es la impresión por extrusión separada de vasos que luego se incorporan a un tejido más grande. Otro método es la impresión de sacrificio, en la que todo el tejido se imprime a la vez, y se utiliza un enlace biológico soluble o removible para formar el interior de los vasos. Una vez que se elimina este andamiaje de sacrificio, generalmente por un método químico o térmico, el resto del tejido contiene un patrón vascular.

Fuentes celulares
La creación de un órgano completo a menudo requiere la incorporación de una variedad de diferentes tipos de células, dispuestas en formas distintas y con patrones. Una ventaja de los órganos impresos en 3D, en comparación con los trasplantes tradicionales, es la posibilidad de utilizar células derivadas del paciente para producir el nuevo órgano. Esto reduce significativamente la probabilidad de rechazo del trasplante, y puede eliminar la necesidad de medicamentos inmunosupresores después del trasplante, lo que reduciría los riesgos para la salud de los trasplantes. Sin embargo, dado que es posible que no siempre sea posible recolectar todos los tipos de células necesarios, puede ser necesario recolectar células madre adultas o inducir la pluripotencia en el tejido recolectado. Esto implica un crecimiento y diferenciación celular que requiere un uso intensivo de recursos y viene con su propio conjunto de riesgos potenciales para la salud, ya que la proliferación celular en un órgano impreso ocurre fuera del cuerpo y requiere la aplicación externa de factores de crecimiento. Sin embargo, la capacidad de algunos tejidos para autoorganizarse en estructuras diferenciadas puede proporcionar una manera de construir simultáneamente los tejidos y formar poblaciones celulares distintas, mejorando la eficacia y la funcionalidad de la impresión de órganos.