La promesa de la bioimpresión en 3D: Generación pionera de tejidos no sintéticos, trasplantes a corazón abierto y mucho más

Este artículo se centra en la innovación de rápido desarrollo conocida como Bioimpresión 3D y cómo puede resolver el problema de la escasez de órganos haciendo que los tejidos y órganos estén disponibles bajo demanda. Descubra todo lo que necesita saber sobre los antecedentes de la tecnología, la técnica de partículas utilizada en la bioimpresión y los últimos avances en este campo en su aplicación a la medicina regenerativa, la investigación y el desarrollo de fármacos y los trasplantes... También se exploran sus perspectivas de futuro para transformar la atención a los pacientes en todo el mundo.

Avances en bioimpresión: impresión en 3D de tejidos y órganos funcionales

La bioimpresión en 3D es una tecnología relativamente nueva pero en rápida evolución. Se considera una herramienta clave para la medicina regenerativa, la ingeniería de tejidos y el trasplante de órganos. Basada en técnicas de fabricación aditiva, la bioimpresión permite fabricar tejidos y órganos humanos funcionales depositando células y moléculas bioactivas capa a capa. Este avance ofrece una solución esencial a la creciente crisis de escasez de órganos.
En su estado más avanzado, Bioimpresión 3D podría revolucionar el tratamiento de los pacientes al proporcionar órganos de sustitución personalizados y a la carta. Este artículo explora el desarrollo de la tecnología, las metodologías, los avances recientes y las futuras líneas de investigación. También destaca las aplicaciones médicas del mundo real en el desarrollo de fármacos, la cirugía y los trasplantes.

Historia de la bioimpresión

La bioimpresión en 3D se inventó a finales de la década de 1980. Los inicios de la bioimpresión se remontan a 1988, cuando se demostró la capacidad de la impresora de chorro de tinta para depositar células vivas. Esto sentó las bases para la creación de modelos de bioimpresión mejorados y más complejos.

Primer órgano impreso

El primer hito se logró en 1999, cuando el equipo del Dr. Anthony Atala, de la Universidad Wake Forest, consiguió implantar el primer órgano artificial, una vejiga humana, mediante bioimpresión por microextrusión. Esto sirvió para demostrar que estructuras tan detalladas como los tejidos y órganos humanos podían construirse por capas mediante células, biomateriales y factores de crecimiento.

Avances recientes en la tecnología de bioimpresión

En el siguiente artículo se analizarán los últimos avances en la tecnología de la bioimpresión. En los últimos años, las tecnologías de bioimpresión se han desarrollado mucho. Actualmente son capaces de imprimir tejidos de tamaño humano, órganos viables y modelos de enfermedades. He aquí algunos de los avances más emocionantes:

Impresión de corazones y páncreas

En 2019, los científicos imprimieron uno de los órganos más complejos: un corazón del tamaño de un conejo con vasos sanguíneos. Por otra parte, un equipo desarrolló el primer páncreas totalmente artificial utilizando múltiples tipos de células. Esto podría ayudar a tratar la diabetes.

Modelos a medida

En la bioimpresión un científico es capaz de imprimir muestras de tejido moduladas que luego pueden utilizarse para probar fármacos o investigar enfermedades. Un grupo probó la Impreso en 3D tumores para seguir el desarrollo del cáncer. También están combinando órganos bioimpresos con sistemas de microfabricación conocidos como órganos en chips, utilizados para simular la progresión de enfermedades en un cuerpo humano.

Nuevos biomateriales

Gracias a la exploración de biomateriales novedosos, las resoluciones han mejorado. Un estudio utilizó un hidrogel personalizado a base de alcohol polivinílico para imprimir minihígados con múltiples tipos de células. Estas nuevas "biotintas" permitirán imprimir órganos complejos con mayor fidelidad.

En resumen, la tecnología de bioimpresión en 3D ha progresado rápidamente en los últimos años. La impresión de tejidos funcionales de tamaño humano y de modelos de enfermedades acerca la promesa de la medicina regenerativa a la realidad. Nuevos avances contribuirán a transformar la asistencia sanitaria.

La persistente escasez mundial de órganos de donantes

Sin embargo, la demanda de trasplantes de órganos supera con creces la oferta de órganos de donantes en todo el mundo. Actualmente hay más de 100.000 personas en listas de espera en Estados Unidos esperando órganos como riñones, hígados o corazón; sin embargo, las células madre podrían eliminar esta posibilidad. Cada día fallecen 20 pacientes por falta de personal en entidades que se enfrentan a una grave escasez.

Creciente brecha entre oferta y demanda

En las últimas décadas, esta brecha se ha ampliado drásticamente, mientras que el potencial de trasplantes de órganos se ha expandido enormemente. La necesidad del trasplante ha aumentado en 7% cada año en los últimos 20 años. Así, a pesar de las vigorosas campañas de concienciación pública sobre la movilización de donantes fallecidos, la fuente de órganos ha permanecido casi estancada en los fallecidos. Aún así, en 2021 sólo se realizaron 147.000 trasplantes para hacer frente a la enorme demanda clínica.

Órganos bioimpresos: Una solución potencial

Los científicos conocedores del problema actual sobre la escasez de órganos corporales han confiado en que la tecnología de bioimpresión en 3D podría actuar como solución para la crisis al prorrogar los órganos corporales artificiales por encargo. En caso de que la bioimpresión se desarrolle para implantes humanos, será una necesidad para evitar el uso del donante y la lista de espera.

Los trasplantes personalizados reducen el rechazo

Los trasplantes personalizados también reducen los casos de rechazo A continuación se resumen los métodos utilizados en la investigación. Dado que se trata de imprimir órganos de sustitución a partir de las propias células del paciente, podrían reducirse los casos de rechazo del trasplante. Se trata de una ventaja muy significativa frente a los trasplantes de órganos convencionales que exigen que el paciente esté sometido a una inmunosupresión de por vida. También podría esperarse que los órganos hechos a medida permanecieran en el cuerpo durante más tiempo.

Primer implante humano con éxito

La primera vez que se utilizó un órgano bioimpreso para un trasplante fue en 1999, cuando el Dr. Anthony Atala colocó quirúrgicamente un andamio de vejiga fabricado con células del cuerpo del paciente. Aunque todavía se esperan los avances exactos, los científicos esperan que se puedan probar impresiones tisulares de hígados, corazones, riñones y otros órganos de forma segura en el cuerpo humano al menos en los próximos diez años.

Aliviar las muertes evitables

Si se demuestra su eficacia, los órganos impresos en 3D podrían ser una solución a las más de 20 muertes que se producen a diario sólo en Estados Unidos debido al fallo de un órgano. La producción bajo demanda de piezas biológicas puede hacer que la bioimpresión salve a miles de personas que mueren esperando un trasplante, pero no reciben los órganos que necesitan.

En resumen, la persistente escasez de órganos subraya la necesidad urgente de soluciones regenerativas. Las tecnologías de bioimpresión son prometedoras para transformar los trasplantes superando la dependencia de los donantes.

Biomateriales especializados para la bioimpresión 3D compleja

La utilización de tejidos y órganos mediante la bioimpresión en 3D se ve muy facilitada por el uso de biomateriales óptimos denominados comúnmente biotinta. Dichos hidrogeles de ingeniería deben permitir la supervivencia celular durante el proceso junto con la deposición capa a capa durante el proceso de impresión.

Categorías de biopolímeros

Algunos de los polímeros naturales más conocidos son el alginato, un polímero extraído de las algas marinas; la gelatina derivada del colágeno; el ácido hialurónico y el propio colágeno. Entre estos últimos se utilizan habitualmente el polietilenglicol (PEG), el ácido poliláctico-co-glicólico (PLGA) o los poliuretanos biodegradables (PUs). Los polímeros compuestos presentan características ventajosas tanto de los polímeros bio como de los sintéticos.

Excipientes Parteck para una bioimpresión fiable

Parteck, productor líder de excipientes, ofrece una gama de aditivos biocompatibles que cumplen las GMP para biotintas. Sus alcoholes polivinílicos (PVOH), como el MXP, presentan una estabilidad térmica que permite la impresión basada en la fusión. Los grados de sorbitol y manitol mejoran la solubilidad a temperatura ambiente. La meglumina ayuda a afrontar los retos que plantean los contraiones, los niveles de pH y la solubilidad.

Formulaciones personalizables

La cartera de Parteck permite a los ingenieros personalizar las biotintas y las matrices de cultivo en 3D. Productos como los poloxámeros confieren estabilidad en condiciones de impresión. El carbonato cálcico ha demostrado su eficacia para controlar la porosidad de los andamios tras la deposición. De este modo, sus excipientes apoyan los flujos de trabajo fiables de fabricación aditiva en varios pasos.

Los excipientes funcionales facilitan los productos combinados

Ante la perspectiva de combinaciones fármaco-dispositivo impresas en 3D, los excipientes funcionales desempeñan un papel importante. Los grados de povidona de Parteck facilitan los perfiles de carga y liberación de fármacos. A medida que avanza la fabricación aditiva para producir productos terapéuticos, los productos que cumplen las GMP y la experiencia en formulación de Parteck seguirán ayudando a los desarrolladores a imprimir de forma segura tejidos vivos, órganos y productos combinados.

En resumen, los biomateriales y excipientes especializados son esenciales para avanzar en el campo de la bioimpresión 3D. Las empresas que proporcionan excipientes a medida y de alta calidad ayudan a optimizar las biotintasas y a maximizar la fidelidad de impresión de construcciones vivas complejas.

Medicina personalizada con órganos impresos

Una aplicación prometedora son los órganos bioimpresos personalizados, adaptados exactamente a la anatomía de los pacientes y a sus propias células maduras. Este enfoque personalizado podría revolucionar los trasplantes al evitar los fármacos inmunosupresores eliminando el riesgo de rechazo. También aborda las anomalías mejor que los donantes de talla única.

Formación quirúrgica y ayuda a la planificación

Los profesionales médicos han adoptado modelos de tejidos bioimpresos con fines educativos y prequirúrgicos. Las estructuras anatómicas complejas permiten a los alumnos ensayar procedimientos mediante simulaciones realistas. Los cirujanos pueden validar los planes practicando en réplicas de órganos impresas antes de operar a los pacientes. Esto mejora los resultados.

Acelerar el descubrimiento de fármacos mediante el cribado de alto rendimiento

Los tejidos humanos bioimpresos permiten métodos más rentables y rápidos para evaluar la seguridad y eficacia de los fármacos en comparación con los ensayos tradicionales con animales. Los investigadores pueden imprimir múltiples modelos de órganos y enfermedades específicas para examinar simultáneamente miles de compuestos.

Resultados de los chips de órganos relevantes para el ser humano

Mediante la integración pañuelos impresos en chips microfluídicos, pueden reproducirse las complejas interacciones multiorgánicas que influyen en el metabolismo de los fármacos. Este enfoque de "cuerpo en un chip" genera datos relevantes para el ser humano que permiten identificar los efectos tóxicos y beneficiosos en una fase más temprana del proceso de desarrollo.

Reducir la dependencia de los modelos animales

A medida que los constructos bioimpresos avanzan hasta replicar la funcionalidad completa de los órganos, pueden frenar el uso de sujetos animales vivos en determinados estudios. En la actualidad, los investigadores recurren a modelos de piel y pulmón impresos en 3D para estudiar el modelado de enfermedades, la medicina personalizada y la toxicología. Se espera que nuevos avances disminuyan la demanda de animales.

En resumen, la bioimpresión en 3D ofrece soluciones de ingeniería tisular y regenerativas en un amplio abanico de aplicaciones médicas. Su potencial para permitir una atención personalizada, mejorar la educación y agilizar la investigación justifica un desarrollo continuo.

Hacer realidad la promesa de la fabricación de órganos a la carta

Aunque se han logrado avances significativos, aún deben superarse varios retos técnicos para el uso clínico generalizado de los órganos bioimpresos. Con esfuerzos continuos, los científicos trabajan para hacer realidad toda la promesa de este campo transformador.

Mejorar la fidelidad de impresión y la maduración

Las investigaciones futuras pretenden aumentar la resolución y apilar múltiples tipos de células en arquitecturas tridimensionales complejas que imiten los órganos nativos. El desarrollo de biomateriales y los sistemas de "incubación" de órganos pueden facilitar el desarrollo y la maduración completos de los tejidos in vitro.

Validación de la funcionalidad en ensayos preclínicos

A medida que los constructos impresos adquieran mayor relevancia fisiológica, los estudios a largo plazo en animales evaluarán el injerto, la vascularización, las respuestas a los fármacos y la función general del órgano. El éxito de los ensayos preclínicos allanaría el camino para los implantes iniciales en humanos.

Adaptar la bioimpresión a órganos individuales

Los distintos procesos de bioimpresión pueden optimizar la composición celular y la geometría únicas de cada órgano. La compleja microestructura del riñón plantea retos diferentes a los de los músculos estriados del corazón, lo que impulsa soluciones específicas para cada tejido.

Fabricación y normalización reglamentaria

Acordar unas normas para la bioimpresión reproducible y escalable y validar la seguridad/eficacia infundirá la confianza reglamentaria para una traslación clínica generalizada. Los esfuerzos de colaboración internacional pueden acelerar este proceso.

Con los continuos avances, los órganos bioimpresos en 3D personalizados podrían transformar los trasplantes en todo el mundo al resolver su escasez en las próximas décadas. Su aplicación promete mejorar la atención a los pacientes.

Conclusión

La bioimpresión en 3D ha evolucionado significativamente y presenta una solución prometedora a la crisis mundial de escasez de órganos. Aunque persisten retos como la vascularización y la maduración de los tejidos, los avances tecnológicos en ingeniería de andamiajes, células madre y biotintas están impulsando el progreso. En los próximos 10-15 años, los órganos bioimpresos personalizados podrían transformar los trasplantes y la medicina regenerativa, ofreciendo un suministro abundante de tejidos y órganos que salven vidas.

Preguntas frecuentes

P: ¿Cómo funciona la bioimpresión en 3D?

La impresión en 3D necesita estratificar una biotinta, mientras que la biotinta contiene células vivas, factores de crecimiento y diversos biomateriales. Diferentes métodos, como la inyección de tinta, la bioimpresión asistida por láser y los sistemas basados en la extrusión, colocan la biotinta en la posición correcta para desarrollar el ensamblaje en 3D de tejidos vivos.

P: ¿Qué tipos de tejidos pueden bioimprimirse?

La ingeniería de tejidos se ha realizado en muchos tipos de tejidos como la piel, los huesos, los vasos sanguíneos, los órganos cardíacos y simples como los riñones y el hígado. Se investiga sobre formas más elaboradas como la válvula cardiaca de funcionamiento vitalitico universal y pronto quizás órganos funcionales completos en su contexto adecuado.

P: ¿Cuándo estarán disponibles los órganos impresos en 3D para trasplantes?

Ya se están probando algunos tejidos en ensayos clínicos, aunque son básicos... Los órganos en miniatura más complejos están a 5-10 años vista. Los órganos transplantables totalmente desarrollados con sistemas vasculares podrían estar disponibles en 10-15 años, a la espera de la aprobación reglamentaria y la validación clínica en animales y en los primeros estudios en humanos. Los esfuerzos de estandarización afectarán a los plazos de traslación.