Imprimir con tinta viviente tejidos trasplantables al cuerpo humano

El nuevo método de impresión en 3D utiliza múltiples cabezas de impresión y “tintas” a medida para crear estructuras complejas de tejido vivo, incluyendo diminutos vasos sanguíneos. (Imagen: Instituto Wyss y Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas -SEAS- de la Universidad de Harvard)

Un nuevo método de bioimpresión crea construcciones de tejido tridimensional con patrones intrincados, a partir de diversos tipos de células e incorporando diminutos vasos sanguíneos. El trabajo representa un enorme paso adelante hacia un objetivo largamente perseguido por los ingenieros de tejidos: crear construcciones de tejido humano lo bastante similares a porciones de tejido original como para probar en ellos la seguridad y la eficacia de fármacos.

El método también representa un paso inicial pero importante hacia la construcción de "recambios" biológicos completamente funcionales para tejidos dañados o enfermos. Dichos recambios se podrían crear a partir de datos obtenidos en un escaneo por tomografía axial computerizada (TAC), en combinación con el uso de técnicas de diseño asistido por ordenador (CAD) para diseñar la estructura, que luego se imprimiría en 3D con el simple acto de pulsar un botón, llegando por último al uso final de esa bioestructura por los cirujanos para reparar o reemplazar el tejido dañado en un paciente.

Los ingenieros de tejidos han intentado durante años producir tejidos humanos vascularizados formados en el laboratorio, lo bastante robustos como para reemplazar a los originales dañados en el cuerpo humano. Otros han imprimido tejido humano con anterioridad, pero se han visto limitados a confeccionar delgadas lonchas de aproximadamente un tercio del grosor de una moneda. Cuando los científicos tratan de imprimir capas más gruesas de tejido, a las células del interior les falta oxígeno y nutrientes, y no tienen una buena forma de retirar el dióxido de carbono y otros desechos, por lo que se asfixian y mueren.

La Naturaleza evita este problema gracias a incorporar en el tejido una red de diminutos vasos sanguíneos de paredes delgadas que nutren el tejido y retiran los desechos. La misma estrategia decidió emular el equipo de Jennifer Lewis y David Kolesky, del Instituto Wyss para la Ingeniería Biológicamente Inspirada, que está vinculado a la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de la Universidad de Harvard, y que tiene su sede en Boston, Massachusetts, Estados Unidos.

La impresión 3D permite crear estructuras 3D intrincadamente detalladas, por regla general hechas de materiales (las "tintas") que son inertes, como los plásticos o los metales. Sin embargo, en años recientes Lewis y sus colaboradores han llevado la impresión en general, y la composición de las tintas, a campos que muy poco antes habrían parecido exclusivos de la ciencia-ficción. Algunos de estos desarrollos previos del equipo de esta científica visionaria, sobre los que hemos escrito en artículos anteriores de NCYT de Amazings, son por ejemplo una nueva tinta conductora para imprimir circuitos eléctricos en papel, plástico, telas y otros materiales (http://noticiasdelaciencia.com/not/3564/), un bolígrafo para crear circuitos eléctricos sobre papel, madera y otras superficies (http://noticiasdelaciencia.com/not/1935/), e incluso una técnica para imprimir en 3D baterías del tamaño de un grano de arena (http://noticiasdelaciencia.com/not/7892/). Los avances en este campo se suceden ahora a un ritmo vertiginoso, y el nuevo desarrollo es una prueba de ello.

Sin embargo, el reto no fue fácil.

Para imprimir estructuras de tejido vivo tridimensionales con un patrón predefinido, los investigadores necesitaron tintas funcionales con propiedades biológicas útiles, de manera que tuvieron que desarrollar varias biotintas (tintas plenamente compatibles con los tejidos originales y que contienen ingredientes clave de los tejidos vivos). Una tinta contenía matriz extracelular, el material biológico que afianza a las células en los tejidos. Una segunda tinta contenía tanto matriz extracelular como células vivas.

Para crear vasos sanguíneos, desarrollaron una tercera tinta con una propiedad inusual: se derrite a medida que se enfría, en vez de a medida que se calienta. Esto permitió a los científicos imprimir primero una red interconectada de filamentos, después fundirlos al enfriar el material, y finalmente succionar hacia afuera el líquido para crear una red de tubos huecos, o vasos sanguíneos artificiales.

El equipo de Lewis y Kolesky probó entonces el método para evaluar su eficiencia y versatilidad. Los investigadores imprimieron en 3D construcciones de tejido con diversas arquitecturas, lo que culminó en una intrincada estructura que contiene vasos sanguíneos y células de tres clases diferentes. Esta estructura se acerca en complejidad a la de los tejidos sólidos naturales del cuerpo.

Además, cuando inyectaron células humanas endoteliales en la red vascular, esas células volvieron a hacer crecer el recubrimiento de los vasos sanguíneos. Mantener a las células vivas y creciendo en el tejido estructural demuestra no solo que ellas se comportaron como si el tejido artificial en el que estaban fuese natural, sino que también demuestra la viabilidad de mezclar lo artificial con lo natural y beneficiarse del trabajo que de por sí puede hacer la materia viviente. "Lo ideal es lograr que la biología haga una porción tan grande como sea posible del trabajo a realizar", resume Lewis.

Tal como explica el Dr. Don Ingber, director fundador del Instituto Wyss, la habilidad de formar redes vasculares funcionales en tejidos tridimensionales antes de que sean implantados no sólo permite que se produzcan tejidos más gruesos, sino que también hace surgir la posibilidad de conectar quirúrgicamente esas redes a la vasculatura natural para promover la inmediata perfusión del tejido implantado, lo que debería incrementar grandemente su integración y su supervivencia. NCYT

En este trabajo de investigación y desarrollo también han participado Ryan L. Truby, A. Sydney Gladman, Travis A. Busbee, y Kimberly A. Homan.