Los investigadores de Stanford han desarrollado una forma más rápida y precisa de modelar e imprimir sistemas vasculares, resolviendo un desafío crítico en la fabricación de órganos trasplantables a partir de las propias células de los pacientes.

Hay más de 100,000 personas en listas de espera para trasplantes de órganos en Estados Unidos. Algunas esperarán años para recibir uno, y otras podrían no sobrevivir. Incluso con una buena compatibilidad, existe la posibilidad de que el cuerpo de una persona rechace el órgano. Para acortar los periodos de espera y reducir la posibilidad de rechazo, investigadores en medicina regenerativa están desarrollando métodos para utilizar las propias células del paciente para fabricar corazones, riñones, hígados y otros órganos personalizados según demanda.

Garantizar que el oxígeno y los nutrientes lleguen a cada parte de un órgano recién desarrollado es un desafío constante. Investigadores de Stanford han creado nuevas herramientas para diseñar e imprimir en 3D los complejos árboles vasculares necesarios para transportar la sangre por todo un órgano. Su plataforma, publicada el 12 de junio en Science , genera diseños que se asemejan a lo que vemos realmente en el cuerpo humano mucho más rápido que los intentos anteriores y es capaz de traducir esos diseños en instrucciones para una impresora 3D.

“La capacidad de ampliar la escala de los tejidos bioimpresos está actualmente limitada por la capacidad de generar la vasculatura necesaria; no se puede ampliar la escala de estos tejidos sin proporcionar un suministro de sangre”, afirmó  Alison Marsden , profesora de Enfermedades Cardiovasculares Douglas M. y Nola Leishman, profesora de Pediatría y Bioingeniería en las Facultades de  Ingeniería y  Medicina de Stanford y coautora principal del artículo. “Logramos que el algoritmo para generar la vasculatura se ejecute unas 200 veces más rápido que los métodos anteriores, y podemos generarla para formas complejas, como órganos”.

Vasculatura a escala de órganos

Cuando la sangre se bombea a un órgano del cuerpo, esta circula desde una arteria grande hacia vasos sanguíneos cada vez más pequeños y ramificados, donde puede intercambiar gases y nutrientes con los tejidos circundantes. En la mayoría de los tejidos, las células necesitan estar a una distancia mínima de un vaso sanguíneo para sobrevivir, pero en tejidos metabólicamente exigentes, como el corazón, la distancia es aún menor: puede haber más de 2500 capilares en un cubo de un milímetro. Todos estos diminutos vasos sanguíneos finalmente se reunen antes de salir del órgano.

Estas redes vasculares no están estandarizadas; los órganos tienen muchas formas y existe una gran variedad incluso entre dos corazones de tamaño similar. Hasta ahora, generar un modelo de red vascular realista que se ajuste a un órgano único y complejo ha sido difícil y ha requerido muchísimo tiempo. Muchos investigadores han recurrido, en cambio, a redes estandarizadas, que funcionan bien en pequeños modelos de tejido diseñados, pero no se escalan adecuadamente.

Marsden y sus colegas desarrollaron un algoritmo para crear árboles vasculares que imitan fielmente la arquitectura de los vasos sanguíneos de los órganos nativos y han puesto el software a disposición de cualquier persona a través de su  proyecto de código abierto SimVascular . Incorporaron simulaciones de dinámica de fluidos para garantizar que la vasculatura distribuyera la sangre de forma uniforme y acortar con éxito el tiempo necesario para generar la red, evitando colisiones entre vasos sanguíneos y creando un circuito cerrado con una única entrada y salida.

“Se necesitaron aproximadamente cinco horas para generar un modelo computacional de un árbol para vascularizar un corazón humano. Logramos una densidad donde cualquier célula del modelo habría estado a unas 100 a 150 micras del vaso sanguíneo más cercano, lo cual es bastante bueno”, dijo Zachary Sexton, investigador postdoctoral en el laboratorio de Marsden y coautor principal del artículo. El diseño contenía un millón de vasos sanguíneos. “Esa tarea no se había realizado antes, y probablemente habría llevado meses con algoritmos anteriores”.

Aunque las impresoras 3D aún no están a la altura de imprimir una red tan densa y a escala tan fina, los investigadores lograron diseñar e imprimir un modelo vascular con 500 ramificaciones. También probaron una versión más sencilla para garantizar que mantuviera vivas las células. Utilizando una bioimpresora 3D (que imprime con células vivas en lugar de resina o metal), los investigadores crearon un anillo grueso cargado de células renales embrionarias humanas y construyeron una red de 25 vasos que lo atraviesan. Bombearon un líquido cargado de oxígeno y nutrientes a través de la red y lograron mantener vivas un gran número de células en las proximidades de la red vascular.

“Demostramos que estos vasos pueden diseñarse, imprimirse y mantener vivas las células”, afirmó  Mark Skylar-Scott , profesor adjunto de bioingeniería y coautor principal del artículo. “Sabemos que aún queda trabajo por hacer para acelerar la impresión, pero ahora contamos con este proceso para generar diferentes árboles vasculares de forma muy eficiente y crear un conjunto de instrucciones para imprimirlos”.

Un corazón bioimpreso

Los investigadores se apresuran a señalar que estas redes vasculares aún no son vasos sanguíneos funcionales: son canales impresos a través de una matriz 3D, pero no tienen células musculares, células endoteliales, fibroblastos ni nada más que necesitarían para funcionar por sí solos.

“Este es el primer paso hacia la generación de redes vasculares realmente complejas”, afirmó Dominic Rütsche, investigador postdoctoral en el laboratorio de Skylar-Scott y coautor principal del artículo. “Podemos imprimirlas con complejidades nunca antes vistas, pero aún no son vasos completamente fisiológicos. Estamos trabajando en ello”.

Convertir estos diseños en vasos sanguíneos funcionales es solo uno de los muchos aspectos de la bioimpresión de un corazón humano funcional en el que trabajan Skylar-Scott y sus colegas. También exploran cómo estimular el crecimiento autónomo de los vasos sanguíneos más diminutos (aquellos que son demasiado pequeños o están demasiado próximos para imprimirse), mejorando así la capacidad de las bioimpresoras 3D para hacerlas más rápidas y precisas, y cultivando la enorme cantidad de células necesarias para imprimir un corazón completo.

“Este es un paso crucial en el proceso”, afirmó Skylar-Scott. “Hemos generado con éxito suficientes células cardíacas a partir de células madre humanas para imprimir el corazón humano completo, y ahora podemos diseñar un sistema vascular complejo y eficaz para mantenerlas alimentadas y vivas. Ahora estamos integrando activamente ambas: células y vasculatura, a escala orgánica”.

Es realmente el santo grial de la medicina curativa.

El bioingeniero de Stanford Mark Skylar-Scott se encuentra en una búsqueda de “ciencia ficción” para imprimir en 3D corazones humanos y otros órganos a pedido, utilizando células del propio cuerpo del paciente.

En la serie «La Investigación Importa», visitamos laboratorios en todo el campus para escuchar directamente de los científicos de Stanford sobre sus proyectos, cómo podrían impulsar la salud y el bienestar humanos, y por qué las universidades son actores clave en el ecosistema de innovación del país. A continuación, se presentan las propias palabras de los investigadores, editadas y condensadas para mayor claridad.

---

La insuficiencia orgánica crónica es una de las principales causas de muerte: alrededor de 500.000 personas son diagnosticadas con insuficiencia cardíaca cada año en EE. UU. Sin embargo, solo se realizan unos pocos miles de trasplantes de corazón al año. La mayoría de las personas simplemente no son buenas candidatas debido a su edad o condición médica, y a la escasez de donantes de órganos.

En Stanford, he dedicado los últimos cinco años a perseguir un sueño de ciencia ficción: ¿Qué pasaría si pudiéramos imprimir en 3D nuevos corazones y otros órganos a demanda, utilizando células del propio cuerpo del paciente? ¿Cómo tomamos unas pocas células en una placa de Petri y las convertimos en un kilogramo de tejido que se puede observar latir con los propios ojos?

Los bioingenieros de Stanford buscan construir un corazón, una capa a la vez

Utilizando técnicas avanzadas de impresión 3D, Mark Skylar-Scott y su equipo quieren transformar una pasta hecha de células vivas en corazones y otros órganos.

Existen muchos desafíos complejos asociados con la ampliación de escala en biología. ¿Cómo producir miles de millones de células de forma asequible, fiable y reproducible? ¿Cómo imprimirlas rápidamente, madurarlas y permitir que prosperen? Tenemos que vascularizar y nutrir las células, implantar vasos sanguíneos en los tejidos para proporcionarles el oxígeno y los nutrientes que necesitan para sobrevivir.

En tres años y medio, mi laboratorio planea tener un órgano humano impreso en 3D dentro de un modelo porcino. Esperamos que este estudio con animales grandes sirva de trampolín para establecer los hitos necesarios para un primer ensayo en humanos. Eso probablemente ocurrirá en más de una década. Hay mucho trabajo por hacer, pero estamos dando pasos importantes.

El resultado ideal es obtener un corazón bioimpreso en un ser humano. Con los xenotrasplantes de cerdos, se requiere una dosis muy alta de inmunosupresores, e incluso así, suele ser rechazado al cabo de uno o dos meses. Nuestro objetivo sería crear un corazón propio, hecho con células propias, a demanda, sin necesidad de inmunosupresión. Realmente es el santo grial de lo que creo que debería ser la medicina curativa: ¿Tienes un órgano defectuoso? Aquí tienes uno nuevo.

A veces presento este trabajo a inversores de riesgo y hablo con empresarios, y la respuesta que recibo es que somos demasiado ambiciosos. Y para mí, eso significa que estamos haciendo bien la academia.

A veces presento este trabajo a inversores de riesgo y hablo con empresarios, y la respuesta que recibo es que somos demasiado ambiciosos. Y para mí, eso significa que estamos haciendo bien la academia.

El sector privado financiará lo que esté dispuesto a hacer, lo cual ocurrirá dentro de cinco o diez años. Cuando realmente se intenta hacer algo diferente, formar una nueva fuerza laboral con nuevas habilidades, crear nuevos paradigmas, ese es el papel de la academia. Ese es nuestro trabajo. Y es un privilegio y un lugar de trabajo sumamente emocionante. Me encanta mi trabajo y estoy muy agradecido por la oportunidad de abordar un problema insalvable y convertirlo en algo más.