Al tratar enfermedades graves, en caso de quemaduras y traumatismos, la regeneración cutánea puede ser una cuestión de vida o muerte. Las quemaduras extensas suelen tratarse mediante el trasplante de una fina capa de epidermis (la capa superior de la piel) procedente de otra parte del cuerpo. Sin embargo, este método no solo deja cicatrices extensas, sino que tampoco restaura la piel a su estado funcional original. A menos que la dermis (la capa inferior de la epidermis, que contiene vasos sanguíneos y nervios) se regenere, no puede considerarse piel normal.

Ahora, el trabajo de investigadores suecos podría haber acercado la medicina a la capacidad de regenerar piel viva. Han desarrollado dos tipos de técnicas de bioimpresión 3D para generar artificialmente piel gruesa y vascularizada, es decir, con vasos sanguíneos. Una técnica produce piel repleta de células, mientras que la otra produce vasos sanguíneos de formas arbitrarias en el tejido. Ambas tecnologías abordan el mismo reto de forma diferente. Los enfoques se describen en dos estudios publicados en la revista Advanced Healthcare Materials.

“La dermis es tan compleja que no podemos cultivarla en un laboratorio. Ni siquiera conocemos todos sus componentes”, declaró Johan Junker, profesor asociado de la Universidad de Linköping y especialista en cirugía plástica que dirigió este trabajo. “Por eso, nosotros, y muchos otros, creemos que podríamos trasplantar los componentes básicos y dejar que el cuerpo fabrique la dermis por sí mismo”.

Junker y su equipo diseñaron una biotinta llamada «μInk» en la que fibroblastos (células que producen componentes dérmicos como colágeno, elastina y ácido hialurónico) se cultivan en la superficie de pequeños granos de gelatina esponjosa y se encapsulan en un gel de ácido hialurónico. Al generar esta tinta tridimensionalmente con una impresora 3D, lograron crear una estructura cutánea llena de células de alta densidad a voluntad.

En un experimento de trasplante con ratones, los investigadores confirmaron que células vivas crecieron dentro de fragmentos de tejido elaborados con esta tinta, secretando colágeno y reconstruyendo los componentes de la dermis. También se desarrollaron nuevos vasos sanguíneos dentro del injerto, lo que indica que se cumplían las condiciones para la fijación tisular a largo plazo.

Los vasos sanguíneos desempeñan un papel fundamental en la construcción de tejidos artificiales. Independientemente de cuántas células se cultiven para crear un modelo de tejido, sin vasos sanguíneos, el oxígeno y los nutrientes no pueden transportarse uniformemente a todas las células. Y sin vasos sanguíneos, a medida que la estructura del tejido crece, las células centrales mueren.

El equipo de investigación también ha creado una tecnología llamada REFRESH (Redireccionamiento de Filamentos de Hidrogel Suspendidos que Flotan Libremente), que permite la construcción flexible de vasos sanguíneos en tejidos artificiales mediante la impresión y disposición de hilos de un hidrogel compuesto en un 98 % por agua. Estos hilos son mucho más resistentes que los materiales de gel convencionales y mantienen su forma incluso al atar o trenzar. Además, poseen memoria de forma, lo que les permite recuperar su forma original incluso al aplastarse.

Cabe destacar que estos hilos pueden desmontarse sin dejar rastro mediante la acción de una enzima específica. Cuando los hilos de hidrogel colocados en el tejido desaparecen, solo queda una cavidad larga y delgada en su lugar original. Al utilizar esto como un canal de flujo equivalente a un vaso sanguíneo, se puede formar libremente una red de vasos sanguíneos dentro del tejido creado artificialmente. Al integrar estas dos tecnologías, sería posible incorporar una red de vasos sanguíneos de diseño libre en la piel artificial gruesa y llena de células, permitiendo que el oxígeno y los nutrientes lleguen a cada rincón.

Los investigadores también lograron construir una compleja red tridimensional formando nudos o trenzas con los hilos de hidrogel. En el futuro, esperan combinar esto con tecnología para automatizar dichas operaciones, creando así un método para estirar eficientemente una red de vasos sanguíneos a lo largo de un órgano artificial.

Aún existen muchas incertidumbres en el entorno de las heridas, como la prevención de la inflamación y la infección bacteriana, y será necesaria una verificación minuciosa de estas técnicas para superar la brecha entre los resultados obtenidos en el laboratorio y su aplicación en la práctica clínica. Sin embargo, en el futuro, estas tecnologías podrían representar un gran avance en la solución de problemas de larga data en la medicina regenerativa.

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.

Si bien la impresión 3D, que se remonta a la década de 1980, ha tenido su  mayor impacto en la fabricación , también ha demostrado ser vital para sectores como  la vivienda  e incluso  los viajes espaciales . Y cada vez más en los últimos años ha demostrado su potencial en el campo médico, ya que se utiliza en el desarrollo de prótesis, órganos de reemplazo y equipos médicos.

Entonces, ¿qué es exactamente la impresión 3D?

Esta tecnología crea un objeto tridimensional mediante la lectura de un plano digital y la reproducción de capas sucesivas mediante filamentos y luz ultravioleta. Una de sus principales ventajas es que no requiere el costoso y complicado equipo necesario en la fabricación tradicional, lo que acelera la producción de productos. En muchos hospitales, los cirujanos utilizan representaciones en 3D de la anatomía de un paciente para practicar procedimientos antes de la cirugía y se pueden utilizar impresoras 3D para personalizar partes del cuerpo, como implantes de rodilla.

Según estimaciones de GlobalData , se espera que en 2025 se dediquen a la impresión 3D unos 20.000 millones de dólares a nivel mundial, casi tres veces más que en 2017.  En el sector médico, el aumento del gasto en impresión 3D se debe a las necesidades del envejecimiento de la población.

Una publicación en el  sitio web de la Asociación Estadounidense de Hospitales  informa que en 2019, 113 hospitales tenían instalaciones 3D centralizadas para la fabricación en el punto de atención, en comparación con solo tres en 2010. Y según  Pew Trust , el mercado de atención médica con impresión 3D aumentó drásticamente durante la pandemia de COVID-19, cuando muchos hospitales dependieron de esta tecnología para el lanzamiento de equipos de protección personal (EPP) y dispositivos médicos.

La publicación describe tres formas específicas en que la impresión 3D está afectando la atención clínica y cómo podría transformarla en el futuro:

1. Implantes y prótesis: la FDA ha aprobado la tecnología 3D para desarrollar más que implantes dentales, uno de los primeros usos de la impresión 3D aprobados médicamente. Ahora, según un estudio publicado en la revista Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons , la tecnología tiene el potencial de transformar por completo la forma en que los cirujanos tratan a los pacientes con lesiones musculoesqueléticas graves, así como de mejorar el ajuste y la función de las prótesis.
2. Modelos anatómicos: las impresoras 3D pueden producir modelos anatómicos extremadamente precisos y detallados para ayudar a los cirujanos a prepararse para procedimientos complejos, lo que da como resultado mejores resultados a un menor costo. La tecnología 3D también reduce el tiempo empleado en cirugía.
3. Equipos médicos: el uso de la impresión 3D para construir dispositivos médicos, incluidos fórceps, abrazaderas y retractores, está desempeñando un papel clave en la creciente necesidad de un rápido desarrollo de equipos médicos, lo que ayuda a reducir los problemas en la cadena de suministro.

Un análisis de costo-beneficio realizado por  Medical-Technology.nrdigital.com  mostró las ventajas de introducir la tecnología de impresión 3D en los hospitales, particularmente como ayuda en cirugías complejas.

El estudio de junio fue realizado por el Dr. Atanu Chaudhuri, profesor asociado de tecnología y gestión de operaciones en la Escuela de Negocios de la Universidad de Durham, junto con colegas de la Facultad de Ingeniería ORT Braude en Israel y la Universidad del Sur de Dinamarca. Chaudhuri admitió que la impresión 3D representa una inversión financiera significativa para los hospitales, pero dijo que los beneficios «superan con creces los costos tanto para los hospitales como para los pacientes». Y agregó: «Debemos saber dónde aplicarla y cómo cuantificar los beneficios».

También cree que la impresión 3D debería ser una colaboración entre cirujanos e ingenieros, porque los cirujanos que aprendan a diseñar una guía para la impresión 3D tendrán una ventaja sobre los demás. “Pero hay ciertas cirugías que no se habían intentado antes, especialmente en niños pequeños, que ahora se pueden realizar con mucha más confianza”, afirmó, y añadió que, con el tiempo, la tecnología de impresión 3D se integrará plenamente en el plan de estudios de medicina.

Aunque la impresión 3D se ha utilizado en el ámbito sanitario durante más de una década para fabricar implantes de titanio y acero inoxidable, un material denominado plástico PEEK permitirá que la tecnología se utilice en más laboratorios y clínicas de todo el mundo.  El PEEK  es un polímero termoplástico orgánico incoloro que consta de macromoléculas compuestas de muchas subunidades repetidas, llamadas monómeros.

Savi Baveja, director de estrategia e incubación de Hewlett Packard, escribió recientemente que la impresión 3D y otras nuevas tecnologías están empezando a “lograr los mejores resultados que se han prometido desde hace tiempo en el campo de la medicina personalizada”. Y añadió:

“La demanda ya es sustancial (el mercado de soluciones médicas personalizadas, que incluye aparatos ortopédicos y protésicos personalizados, está valorado en aproximadamente 10.000 millones de dólares) y la necesidad está creciendo a un ritmo exponencial. La OMS estima que mil millones de personas necesitan productos de asistencia hoy en día y se espera que más de dos mil millones de personas en todo el mundo necesiten al menos un producto de asistencia para 2030”.

Cada vez más hospitales de todo el mundo aprovechan las tecnologías emergentes, como la impresión 3D, que permite a los médicos literalmente “ver” e interactuar con la anatomía sin dañar al paciente. Sin embargo, los casos de uso se extienden mucho más allá de eso, a prótesis, modelos anatómicos y modelos médicos, y a medida que aumenten las necesidades de una población que envejece en los próximos años, seguramente surgirán otras aplicaciones.