Bioimpressão 3D

A biomoldagem tridimensional (3D) é a utilização de técnicas de impressão 3D e de impressão 3D para combinar células, fatores de crescimento e biomateriais para fabricar peças biomédicas que imitam ao máximo as características naturais do tecido. Geralmente, a bioimpressão 3D utiliza o método de camada por camada para depositar materiais conhecidos como bioinks para criar estruturas semelhantes a tecidos que são posteriormente usadas em campos de engenharia médica e de tecidos. Bioprinting abrange uma ampla gama de biomateriais.

Atualmente, a bioimpressão pode ser usada para imprimir tecidos e órgãos para ajudar na pesquisa de medicamentos e pílulas. No entanto, as inovações emergentes abrangem desde a bioimpressão de células ou da matriz extracelular depositada em uma camada de gel 3D por camada para produzir o tecido ou órgão desejado. A recente explosão de popularidade da impressão 3D é uma prova da promessa dessa tecnologia e de sua profunda utilidade na pesquisa e na medicina regenerativa. Além disso, a bioimpressão 3D começou a incorporar a impressão de andaimes. Estes andaimes podem ser usados ​​para regenerar articulações e ligamentos.

Definição
A bioimpressão 3D é o processo de criação de estruturas celulares em um espaço confinado usando tecnologias de impressão 3D, onde a função e a viabilidade das células são mantidas na construção impressa. Geralmente, a bioimpressão 3D usa o método de impressão camada por camada para depositar materiais às vezes chamados de bioencros para criar estruturas semelhantes a tecidos biológicos naturais que são então usados ​​nos campos de engenharia médica e tecidos. vasta gama de materiais. Atualmente, a bioimpressão pode ser usada para imprimir tecidos e órgãos, especialmente para pesquisa farmacêutica. A primeira patente relacionada a essa tecnologia foi depositada nos Estados Unidos em 2003 e concedida em 2006.

A bioimpressão está na interface de muitos campos: medicina, engenharia, ciência da computação, engenharia genética, etc. Os tecidos biológicos consistem em tecidos duros compostos por matrizes extracelulares orgânicas e inorgânicas e tecidos moles formados por células. A matéria celular viva é impressa a partir de células-tronco. É depositado em gotículas de tinta biológica que formarão camadas sucessivas e que na sobreposição constituirão um tecido biológico em três dimensões. Para produzir tinta biológica, pode-se usar as células-tronco do paciente para crescer (é preciso milhões para criar um milímetro quadrado de tecido). As células-tronco são suspensas em um meio específico que pode ser modificado à temperatura ambiente. O suporte sobre o qual o tecido é impresso é uma fina camada de colágeno (a proteína mais abundante no corpo humano, responsável pela coesão do tecido) que pode ser comparada ao papel de uma impressora tradicional. Além de células e biomateriais, a bioimpressora também deve incorporar um espectro de compostos bioquímicos (isto é, quimiocinas, fatores de crescimento, fatores de adesão ou proteínas sinalizadoras) para promover um ambiente de sobrevivência, motilidade e diferenciação celular.

Várias etapas podem ser distinguidas ao imprimir um tecido por bio-impressão 3D. Estes três passos tecnológicos sequenciais são pré-tratamento, processamento (impressão) e pós-processamento:
O design é mais ou menos idêntico aos tecidos originais e, em seguida, o design do computador do modelo que definirá como as células-tronco serão impressas camada por camada, de acordo com as características expressas na primeira etapa. Esta etapa é acoplada ao terceiro passo, que consiste em programar a impressora através de um software especializado que traduz as ações a serem executadas na linguagem da impressora. Essas duas etapas são semelhantes àquelas a serem feitas para projetar um objeto a partir de uma impressora 3D de plástico.
A impressão automatizada do tecido pela impressora, que difere de acordo com a tecnologia utilizada.

Dois parâmetros-chave na bio-impressão são densidade e resolução. A densidade das células é aquela na tinta biológica. Se estiver muito baixo, a fase final não será bem feita e o tecido não será viável. Resolução é a precisão com a qual as células serão colocadas pela impressora. Se a precisão não for a ideal, a estrutura pré-definida das células não será respeitada e o tecido não terá a forma correta, evitando ao mesmo tempo o bom progresso da fase final de desenvolvimento das células.

O último passo é a maturação dos tecidos impressos. Esta é a fase em que as células reunidas irão evoluir e interagir em conjunto para formar um tecido coerente e viável. Durante o processo de pós-impressão dentro de um biorreator, os tecidos sofrem uma rápida maturação, incluindo o desenvolvimento de vascularização e inervação em vários níveis, aumentando a força e a integridade mecânica dos tecidos para transplante. Colocado em uma incubadora, os tecidos se desenvolvem para formar um tecido coerente. Esta fase começa aproximadamente 48 horas após a impressão e pode durar várias semanas, dependendo do tamanho do tecido. Com a fase de maturação, podemos falar sobre a impressão 4D porque a dimensão do tempo após a impressão é essencial.

Os biorreatores funcionam fornecendo um ambiente propício ao desenvolvimento de tecidos, fornecendo nutrientes convectivos, criando um ambiente de microgravidade e promovendo a circulação da solução nas células. Existem diferentes tipos de biorreatores adequados para diferentes tipos de tecidos, por exemplo, os biorreatores de compressão são ideais para o tecido cartilaginoso.

Tecnologias
A impressão 3D para o fabrico de órgãos artificiais tornou-se um tema importante de estudo em engenharia biológica. À medida que as técnicas de fabricação de impressão 3D se tornam cada vez mais eficientes, sua aplicabilidade na síntese de órgãos artificiais tornou-se mais aparente. As principais vantagens da impressão 3D são a capacidade de produção em massa de estruturas complexas personalizáveis, bem como o alto grau de precisão anatômica obtido. A bioimpressão 3D oferece versatilidade sem precedentes no posicionamento de células e biomateriais com controle preciso sobre suas composições, distribuições espaciais e precisão arquitetônica, permitindo a reconstrução detalhada ou até mesmo personalizada da forma final, estrutura, microestrutura e arquitetura de tecidos e órgãos impressos.

Em comparação com a impressão 3D não biológica, a bioimpressão 3D induz a níveis adicionais de complexidade, como escolha de materiais, tipo de célula, fatores de crescimento e diferenciação e desafios técnicos relacionados às sensibilidades celulares. construção de vida e tecido.

Órgãos de impressão usando impressão 3D podem ser realizados usando uma variedade de técnicas, cada uma transportando benefícios específicos que podem ser adaptados a tipos específicos de produção de órgãos.

A abordagem tradicional de engenharia de tecidos era semear células num suporte de matriz, isto é, uma estrutura de suporte sólida compreendendo uma rede de poros interligados. Essa estrutura deve manter a forma e as propriedades mecânicas do tecido sintetizado e auxiliar na ligação celular, fornecendo um substrato para a proliferação celular. A tecnologia de impressão 3D é uma inovação recente que permite a semeadura simultânea de células vivas e a criação da estrutura do biomaterial em camadas.

As três tecnologias 3D de bioimpressão mais populares são a tecnologia de impressão a laser, a tecnologia de micro extrusão e a tecnologia de jato de tinta. Além dessas tecnologias, uma equipe de pesquisadores em Cambridge está desenvolvendo uma impressora acústica onde as ondas vibram a bioencre, o que causará a ejeção de gotículas com a precisão do tamanho de uma célula. Hoje, na internet, você pode encontrar explicações sobre como fazer sua própria bio-impressora a partir de uma impressora de escritório do tipo HP, conforme apresentado no site TeVido BioDevices.

Cada tecnologia tem vantagens e desvantagens para a impressão de engenharia de tecidos biológicos e órgãos. Os tecidos duros do corpo humano incluem ossos, dentes e cartilagem e consistem em alguns tipos de células únicas e uma proporção significativa de matrizes extracelulares orgânicas e inorgânicas.

Impressão a laser
Esta última tecnologia exigiu 10 anos de pesquisa no INSERM em Bordeaux. Esta técnica funciona no princípio do laser. Um laser é dirigido por meio de um espelho, passa através de uma lente, em seguida, se concentra, atinge uma lamela sobre o qual é colocado um filme de tinta biológica. Durante a interação laser / cartucho, solte gotas micro contendo células em pequeno número no suporte com uma precisão de 5 mícrons. A impressão é rápida o suficiente. Experiências mostraram até que funciona em ratos, graças a uma impressão in vivo (diretamente na pele de um ser vivo). Os padrões da célula são obtidos por varredura a laser a 10.000 pulsos por segundo, cada pulso gerando uma micro-gota. Essa tecnologia é a única com resolução de unidade (célula por célula) de até 50 células por micro queda. Essa precisão possibilita a reprodução de tecidos biológicos complexos em 3 dimensões, como amostras de pele.

A impressão a laser combina resolução e densidade (cerca de 108 células / ml de tinta biológica) com múltiplos benefícios. Três dos benefícios da bioimpressão a laser são mais de 95% de viabilidade celular, redução de desperdício e ausência de estresse mecânico. Isso se deve à falta de pulsos, alguns nanossegundos, que minimizam o aquecimento das células e reduzem seu “estresse”. No entanto, a viabilidade dos tecidos impressos depende das tensões exercidas nas células. É importante que as células sejam as menos “degradadas” possíveis.

No entanto, alguns fatores ainda precisam ser melhorados porque a máquina ainda não empilha muitas camadas de células de maneira bem organizada, o tempo de preparação é alto e o custo de impressão também.

Jato de tinta
Esta tecnologia é utilizada em particular nas impressoras DIY Tedivo Biodevices. É essa tecnologia que funciona na Universidade de Manchester, na Inglaterra. A impressora a jato de tinta funciona com uma cabeça de impressão que projeta micro gotas de um líquido contendo células (a bio-tinta). A ejeção das gotículas é causada por um processo térmico (calor) ou piezoelétrico (polarização elétrica da tinta sob a ação de um estresse mecânico). A tinta é líquida a 20 ° mas gelifica a uma temperatura de 36 °. Este processo é o mais semelhante ao das impressoras plásticas 3D.

Esta tecnologia é a mais acessível e fácil de usar, com tempo mínimo de preparação e baixo custo. O tempo de impressão é baixo e a viabilidade das células é maior que 85%, mas a resolução é ruim, resultando em desenvolvimento de células pobres. Além disso, a densidade também é um parâmetro difícil de gerenciar, muitas vezes é muito baixa ou muito baixa (cerca de 106 células / ml, 100 vezes menos do que para a impressora a laser). Estas desvantagens tornam-no, no momento, inadequado para imprimir tecidos complexos, serve apenas para imprimir padrões graças às células a serem impressas.

Micro-extrusão
A microextrusão (também chamada bioextrusão) é o único método que começou a ser industrializado pela empresa norte-americana Organovo com sua impressora Novogen MMX, desenvolvida em conjunto com a Universidade de Missouri e desenvolvimento em 2005.

Esta impressora funciona com dois cabeçotes de impressão. Um deposita o gel e o outro as células. As células são empurradas para uma micro-seringa e depositadas usando uma agulha. As camadas são alternadamente depositadas, uma camada de hidrogel (mistura de água) seguida por uma camada de células. O hidrogel é usado para estruturar a montagem de camadas de células, semelhante ao andaime. A hidrogel então se dissolveu durante a fase de maturação, permitindo que as células se fundissem. A bioextrusão possibilita obter uma alta densidade, mas com uma resolução média (variando de 5 micrômetros a alguns milímetros de largura). O tempo de preparação é médio em comparação com outras técnicas, mas com um tempo de impressão maior (muito lento). O custo deste tipo de impressora é médio ea viabilidade (capacidade de “sobreviver” após a impressão e durante a fase de maturação) das células é entre 40 e 80%, esta taxa é baixa em comparação com outras tecnologias e este aspecto continua a ser melhorado.

Técnicas híbridas
Atualmente, essas tecnologias têm possibilidades limitadas, mas alguns pesquisadores estão analisando “impressoras híbridas”. Essa técnica permanece em fase de testes, mas nos Estados Unidos os pesquisadores conseguiram acoplar a impressão celular e a deposição de polímero biodegradável (substância composta de moléculas caracterizadas pela repetição de um ou mais átomos ou grupos de átomos, que podem ser naturais, sintéticos). ou artificial) formando cartilagem.

Bioprinters
Existem diferentes bioprinters no mercado. Os preços variam de US $ 10.000 para BioBot 1 a US $ 200.000 para o 3D-Bioplotter da EnvisionTec. A bio-impressora Aether 1 deverá ser comercializada a partir de 2017 pelo preço de 9.000 USD. Na prática, os pesquisadores freqüentemente desenvolvem suas próprias bio-impressoras experimentais.

Processo
A bioprinting 3D geralmente segue três etapas: pré-bioprinting, bioimpressão e pós-bioprinting.

Pré-bioprinting
Pré-bioprinting é o processo de criação de um modelo que a impressora criará posteriormente e escolherá os materiais que serão usados. Um dos primeiros passos é obter uma biópsia do órgão. Tecnologias comuns usadas para bioprinting são tomografia computadorizada (TC) e ressonância magnética (MRI). Para imprimir com uma abordagem de camada por camada, a reconstrução tomográfica é feita nas imagens. As imagens agora em 2D são enviadas para a impressora para serem feitas. Depois que a imagem é criada, certas células são isoladas e multiplicadas. Estas células são então misturadas com um material especial liquefeito que fornece oxigênio e outros nutrientes para mantê-los vivos. Em alguns processos, as células são encapsuladas em esferóides celulares de 500μm de diâmetro. Esta agregação de células não requer um suporte, e são necessárias para a colocação na fusão de tecido tipo tubular para processos como a extrusão.

Bioprinting
Na segunda etapa, a mistura líquida de células, matriz e nutrientes conhecidos como bioinks são colocados em um cartucho de impressora e depositados usando as imagens médicas dos pacientes. Quando um pré-tecido bio-impresso é transferido para uma incubadora, este pré-tecido baseado em células amadurece em um tecido.

A bioprinting 3D para o fabrico de construções biológicas envolve tipicamente a distribuição de células para um suporte biocompatível utilizando uma abordagem sucessiva camada por camada para gerar estruturas tridimensionais semelhantes a tecido. Órgãos artificiais, como fígados e rins feitos por bioimpressão em 3D, mostraram carecer de elementos cruciais que afetam o corpo, como vasos sanguíneos em atividade, túbulos para coletar urina e o crescimento de bilhões de células necessárias para esses órgãos. Sem esses componentes, o corpo não tem como obter os nutrientes e oxigênio essenciais no interior de seus interiores. Dado que cada tecido do corpo é naturalmente composto por diferentes tipos de células, muitas tecnologias para imprimir essas células variam em sua capacidade de garantir a estabilidade e a viabilidade das células durante o processo de fabricação. Alguns dos métodos usados ​​para a bioimpressão 3D de células são fotolitografia, bioimpressão magnética, estereolitografia e extrusão direta de células.

Pós-bioprinting
O processo pós-bioimpressão é necessário para criar uma estrutura estável a partir do material biológico. Se este processo não for bem mantido, a integridade mecânica e a função do objeto impresso em 3D estarão em risco. Para manter o objeto, são necessários estímulos mecânicos e químicos. Essas estimulações enviam sinais às células para controlar a remodelação e o crescimento dos tecidos. Além disso, em recente desenvolvimento, as tecnologias de biorreatores permitiram a rápida maturação dos tecidos, a vascularização dos tecidos e a capacidade de sobreviver aos transplantes.

Os biorreatores funcionam tanto no fornecimento de transporte convectivo de nutrientes, criando ambientes de microgravidade, alterando a pressão que causa a solução a fluir através das células, ou adicionando compressão para carga dinâmica ou estática. Cada tipo de biorreator é ideal para diferentes tipos de tecidos, por exemplo, biorreatores de compressão são ideais para o tecido cartilaginoso.

Abordagem de bioprinting
Pesquisadores no campo desenvolveram abordagens para produzir órgãos vivos que são construídos com as propriedades biológicas e mecânicas apropriadas. A bioimpressão 3D é baseada em três abordagens principais: Biomimética, auto-montagem autônoma e blocos de construção de mini-tecido.

Biomimética
A primeira abordagem da bioprinting é chamada biomimética. O principal objetivo dessa abordagem é criar estruturas fabricadas que sejam idênticas à estrutura natural encontradas nos tecidos e órgãos do corpo humano. A biomimética exige a duplicação da forma, estrutura e microambiente dos órgãos e tecidos. A aplicação da biomimética na bioimpressão envolve a criação de partes celulares e extracelulares idênticas. Para esta abordagem ser bem sucedida, os tecidos devem ser replicados em uma escala micro. Portanto, é necessário entender o microambiente, a natureza das forças biológicas neste microambiente, a organização precisa dos tipos de células funcionais e de suporte, os fatores de solubilidade e a composição da matriz extracelular.

Auto-montagem autônoma
A segunda abordagem da bioimpressão é a automontagem autônoma. Esta abordagem baseia-se no processo físico de desenvolvimento de órgãos embrionários como um modelo para replicar os tecidos de interesse. Quando as células estão em seu desenvolvimento inicial, elas criam seu próprio bloco de construção da matriz extracelular, a sinalização celular adequada e o arranjo e padronização independentes para fornecer as funções biológicas e a microarquitetura necessárias. A automontagem autônoma exige informações específicas sobre as técnicas de desenvolvimento dos tecidos e órgãos do embrião. Há um modelo “livre de andaimes” que usa esferóides auto-organizáveis ​​que se submetem à fusão e arranjo de células para se assemelhar a tecidos em evolução. A automontagem autônoma depende da célula como o condutor fundamental da histogênese, guiando os blocos de construção e as propriedades estruturais e funcionais desses tecidos. Exige uma compreensão mais profunda de como os mecanismos dos tecidos embrionários se desenvolvem, assim como o microambiente envolvido para criar os tecidos bioprintados.

Mini-tecido
A terceira abordagem da bioimpressão é uma combinação das abordagens de biomimética e automontagem, chamada de mini-tecidos. Órgãos e tecidos são construídos a partir de componentes funcionais muito pequenos. A abordagem de mini-tecido pega esses pequenos pedaços e os fabrica e organiza em uma estrutura maior.

Impressoras
Semelhante às impressoras de tinta comuns, as bioprinters possuem três componentes principais. Estes são o hardware usado, o tipo de bio-tinta e o material em que é impresso (biomateriais). “Bio-ink é um material feito de células vivas que se comporta como um líquido, permitindo que as pessoas o” imprimam “para criar uma forma desejada. Para fazer bio-ink, os cientistas criam uma pilha de células que podem ser carregadas um cartucho e inserido em uma impressora especialmente projetada, junto com outro cartucho contendo um gel conhecido como bio-paper. ”

Na bioimpressão, existem três tipos principais de impressoras que foram usadas. Estas são impressoras jato de tinta, assistidas por laser e extrusão. As impressoras jato de tinta são usadas principalmente em bioimpressão para produtos rápidos e de grande escala. Um tipo de impressora a jato de tinta, chamada de impressora jato de tinta drop-on-demand, imprime materiais em quantidades exatas, minimizando custos e desperdícios. Impressoras que utilizam lasers fornecem impressão de alta resolução; no entanto, essas impressoras costumam ser caras. As impressoras de extrusão imprimem células camada por camada, assim como a impressão 3D para criar construções 3D. Além de apenas células, as impressoras de extrusão também podem usar hidrogéis infundidos com células.

Aplicação
O campo da medicina regenerativa tem feito progressos consideráveis ​​nas últimas décadas em sua capacidade de produzir substitutos funcionais para tecidos biológicos. Embora por mais de uma década, células vivas e biomateriais (geralmente hidrogéis) tenham sido impressos através da bioimpressão, 29 abordagens convencionais baseadas em matrizes extracelulares e microengenharia permanecem limitadas em sua capacidade de produzir tecidos com propriedades biomiméticas precisas.

Em 2013, a Organovo produziu um fígado humano através de técnicas de bioimpressão. O corpo, no entanto, não era adequado para o transplante e foi usado principalmente como um meio de triagem de drogas 30.

Uso de bio-impressão em 2017
A bioprinting já possibilita a criação de estruturas vivas. A matéria viva celular é impressa em muitos laboratórios em todo o mundo, os tecidos celulares são viáveis ​​e a bioimpressão não afeta a diferenciação celular. Algumas das tecnologias foram aplicadas em tratamentos médicos com algum sucesso. A bioimpressão 3D já foi utilizada para a produção e transplante de vários tecidos, incluindo pele multicamadas, ossos, enxertos vasculares, próteses traqueais, tecidos cardíacos e estruturas de cartilagem.

A impressão de órgãos complexos é objeto de intensa pesquisa em todo o mundo. Por exemplo, para o coração, pâncreas, fígado ou rins. A partir de 2017, essa pesquisa ainda não havia levado ao transplante.

Em maio de 2017, os pesquisadores usaram bioimpressão para produzir ovários de camundongos. Camundongos estéreis implantados com o ovário artificial foram capazes de ovular, entregar e alimentar camundongos bebês normalmente saudáveis. O estudo é o primeiro a alcançar esse resultado com a ajuda da impressão 3D.

Avanços atuais para a pele.
Os pesquisadores conseguiram imprimir diferentes estruturas e tipos de células: multicamadas de queratinócitos (células da camada superficial da pele e crescimentos superficiais do corpo: unhas, cabelos, cabelos) e colágeno.

Em 2010, o laboratório de Bordeaux conseguiu imprimir células ósseas (para renovar e consolidar o tecido ósseo) diretamente no crânio de um rato vivo com um pequeno buraco. No caso de imprimir diretamente no paciente, falamos de impressão in vivo. Os pesquisadores usaram o mesmo princípio para imprimir uma parte do osso e uma parte da pele, removendo as células mesenquimais impressas posteriormente. Células mesenquimais podem produzir vários tipos de células pertencentes aos tecidos esqueléticos, como cartilagem, ossos e gordura. Eles são encontrados no mesênquima do embrião e em quantidades muito pequenas no adulto. O médico Fabien Guillemot comentou sobre os primeiros testes em camundongos: “Os resultados obtidos são muito conclusivos. As células impressas mantiveram todas as suas funções e se multiplicaram até dois meses após a impressão. Os primeiros sujeitos mostraram sinais de cura. Mesmo resultado para o Hannover Laser Center em Alemanha: o tecido repara a ferida do animal sem qualquer rejeição.

A empresa americana Organovo comercializa amostras de pele impressa para pesquisa médica. Esses tecidos orgânicos funcionais são usados ​​por empresas farmacêuticas para testar os efeitos dos tratamentos e seu impacto nas doenças. A empresa também está imprimindo modelos de tecidos doentes para entender melhor as doenças e sua evolução. O objetivo também é testar a eficácia das moléculas de drogas e reduzir o custo dos ensaios clínicos. Grandes grupos de cosméticos também usam amostras para avaliar a toxicidade dos cuidados antes do marketing e para encontrar uma alternativa aos testes em animais que foram proibidos na Europa desde 2013.

Avanços atuais para órgãos vitais
Novas técnicas foram desenvolvidas para superar o problema da vascularização dos tecidos impressos. Uma técnica realmente imprime, por exemplo, tecidos moles contendo colágeno e outras fibras biológicas em um suporte de hidrogel. O tecido impresso é então recuperado fundindo o suporte sem danificar as células e a estrutura. Seguindo esse princípio, modelos de fêmur, artérias coronárias, vasos sangüíneos e coração de embrião já foram impressos com sucesso. Esses tecidos celulares são necessários para oxigenar os órgãos, mas ainda não foram testados em humanos e não permitem a vascularização completa de órgãos como o fígado, os pulmões ou o coração.

Graças aos avanços no campo da vasculatura, agora é possível criar órgãos em miniatura. A Organovo, por exemplo, experimentou a impressão de vários tipos de tecidos complexos, como pedaços de pulmão e músculo cardíaco. Ela conseguiu fazer um pedaço de rim (1 mm de espessura por 4 mm de largura) que sobreviveu 5 dias fora do laboratório. Eles também criaram um fígado humano reconstituído que permaneceu funcional por 40 dias. Esta amostra de fígado (3 mm 2 por 0,5 mm de espessura) foi capaz de produzir enzimas, proteínas e colesterol. Isso se multiplica pela vida do órgão através das trocas que podem ter ocorrido. Da mesma forma, os pesquisadores chineses desenvolvem rins cuja vida útil atualmente é limitada a 4 meses.

“Precisamos continuar a pesquisa e coletar mais informações, mas o fato de o tecido se comportar como um fígado sugere que ele continuará a se comportar como tal quando começar a ser testado com drogas”, afirma Keith Murphy, CEO da Organovo. recentemente comercializa tecido hepático que permanece funcional por pelo menos 42 dias.Estas amostras de órgãos são destinados à pesquisa médica.Mas até hoje, nenhuma dessas partes foi ainda integrada com organismos vivos.

Em outubro de 2016, os pesquisadores de Harvard imprimiram em bio o primeiro chip on-chip do mundo com sensores integrados. O dispositivo, que é um sistema micro-fisiológico, imita o comportamento do tecido humano. Esta conclusão é o mais sofisticado órgão em chip, incluindo em comparação com os pulmões, línguas e intestinos no chip também produzidos por esta equipe. O desenvolvimento desta aplicação bio-impressa de órgão sobre chip pode reduzir a dependência da pesquisa médica em testes em animais.

Outros corpos
Pesquisadores da Universidade de Cambridge, na Inglaterra, anunciaram sua capacidade de recriar células nervosas na retina de um rato através de uma bioimpressora. A impressora é capaz de associar cartuchos de células ganglionares e cartuchos de células gliais de células estaminais de ratos. Este transplante permitiu que um animal recuperasse grande parte de sua acuidade visual enquanto eliminava o risco de rejeição. E em abril de 2013, cientistas da Universidade de Princeton fizeram a impressão de um ouvido biônico: combina células orgânicas e nanopartículas a uma antena moldada em cartilagem. O ouvido assim produzido pode ouvir frequências de rádio inaudíveis com um ouvido humano natural.

Cientistas da Universidade de Columbia estão trabalhando na criação de dentes e articulações bio-impressas. Essa equipe, por exemplo, implantou um incisivo criado a partir de uma estrutura 3D impressa na mandíbula de um rato. Em dois meses, o implante permitiu o crescimento de ligamentos que suportam dentes e ossos recém-formados. A equipa de investigação também implantou ossos da anca bio-impressos em coelhos, que começaram a andar com as suas novas articulações após algumas semanas.

Desafios
Embora tenham sido feitos avanços na produção de órgãos de impressão, a implementação clínica, particularmente no que diz respeito a órgãos complexos, requer mais pesquisa e desenvolvimento. A proliferação celular necessária para a impressão biológica é conduzida em um ambiente artificial e controlado que carece de marcadores e processos biológicos naturais. A ausência dessas propriedades geralmente inibe o desenvolvimento de morfologia e diferenciação celular adequadas. Quando presentes, essas condições permitiriam que o órgão impresso mimetizasse as condições in vivo mais precisamente e adotassem uma estrutura e um funcionamento adequado, contrários a um crescimento biológico concebido como um simples esqueleto formado por células 34. Alguns dos desafios técnicos a serem resolvido incluem:

A vascularização: Embora seja possível criar tecidos celulares básicos como a pele 35, por exemplo, é impossível criar órgãos complexos. De fato, os cientistas não podem recriar vasos sanguíneos como os capilares porque são longos, finos e tubulares, e a precisão das impressoras é muito baixa. A impressão de qualquer órgão é, portanto, impossível porque as células não seriam alimentadas com oxigênio e glicose e morreriam muito rapidamente. Além disso, o tecido da pele celular impresso até agora não é vascularizado e, portanto, não é adequado para o enxerto. Os tecidos celulares precisam ser vascularizados assim que sua espessura exceder 400 mícrons.
O sistema nervoso: O sistema nervoso apresenta uma grande complexidade. Sem os nervos, os músculos criados não podem ser operados e não podem ser enxertados.
As células pluripotentes: bio-impressão requer uma grande quantidade de células pluripotentes.
O tempo de sobrevivência das células impressas: Por enquanto, os tecidos estampados não vivem muito porque não estão em seu ambiente natural. Por exemplo, a empresa Organovo conseguiu imprimir um rim em miniatura de 4 mm por 1 mm, mas permaneceu vivo por apenas 5 dias.
O preço: O custo das impressoras biológicas funcionais de alta qualidade continua muito caro, por isso dificilmente podem ser adquiridas por pequenos laboratórios de pesquisa ou hospitais. De fato, uma impressora biológica custa várias centenas de milhares de euros.
A organização complexa de órgãos: por exemplo, um rim é composto de um milhão de néfrons que fornecem filtragem do sangue e produção de urina. Cada néfron consiste em múltiplas subunidades, como os próprios glomérulos, compostos de quatro tipos de células … Esta organização é muito complexa para imprimir camada por camada.
A severidade: Mesmo com a mais alta técnica biológica conhecida para impressão, os cientistas são forçados a imprimir os tecidos camada por camada devido à gravidade, o que complica muito a formação de corpos grandes que colapsam sob seu próprio peso e deformam as estruturas moleculares.
Conhecimento científico: Este é provavelmente o maior obstáculo ao desenvolvimento e impressão de órgãos complexos. A falta de conhecimento global sobre o corpo humano é sentida em várias áreas, como o sistema nervoso ou a morfogênese do corpo.

Desenvolvimentos recentes

Vascularização
Em abril de 2017, uma equipe de pesquisa da Universidade da Califórnia conseguiu produzir tecido vascularizado com microarquiteturas complexas tridimensionais usando o método de bioimpressão denominado “bioimpressão óptica contínua microscópica” (μCOB). A implantação in vivo dos tecidos impressos demonstrou a sobrevivência e formação progressiva da rede endotelial no tecido pré-vascularizado.

Gravidade
Os cientistas são forçados a imprimir órgãos e tecidos celulares em camadas sucessivas de células por causa da gravidade. Segundo eles, se alguém imprime os órgãos em pseudo-estado de ausência de peso, por exemplo, por meio de um campo magnético, as células podem ser colocadas corretamente e sem deformação.

Professor Vladimir Mironov e sua equipe de pesquisadores chegaram a acordos para testes a serem realizados a bordo da Estação Espacial Internacional.

Para contrariar este fenómeno da gravidade, a equipa do Professor Adam Feinbergon teve a ideia de depositar as células num cubo de Hidrogel (cubo gelatinoso à base de água). As células assim depositadas permanecem em suspensão no hidrogel, o que lhes dá tempo para criar conexões celulares suficientes para que o órgão criado não se deforme. O gel derrete na água à temperatura do corpo (37 ° C). Uma vez estabelecidas as conexões, é suficiente mergulhar o cubo de hidrogel em água a 37 ° C para recuperar o órgão formado intacto.

Organização Complexa
Liderado por Fabien Guillemot, a equipe de pesquisadores do INSERM Bordeaux pretende recriar um rim funcional. Para isso, eles decidiram não imprimi-lo camada por camada, mas peça por peça [precisão necessária]. De fato, a organização complexa do rim, tornando impossível a impressão de camada por camada, a equipe do INSERM primeiro deseja criar glomérulos que poderiam então ser montados para formar néfrons, montados para formar um rim funcional.

Células pluripotentes
Em 2012, a pesquisadora japonesa Shinya Yamanaka criou com sucesso células-tronco pluripotentes funcionais a partir de células diferenciadas, como células da pele. De fato, após sete anos de pesquisas e testes em camundongos, o pesquisador japonês descobriu que, pegando os genes que codificam a não-diferenciação de células-tronco pluripotentes e colocando-as na composição genética da célula diferenciada, esta última se torna pluripotente. Esta descoberta lhe valeu o Prêmio Nobel de Medicina. Como resultado, é possível criar uma cultura de células-tronco pluripotentes específica para um indivíduo, mesmo sem uma amostra de medula óssea.

Essas células diferenciadas reprogramadas em células-tronco são designadas como células iPS das células-tronco pluripotentes induzidas em inglês ou células-tronco pluripotentes induzidas em francês.