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Una posible arma contra la pandemia: la impresión de tejido humano

Versiones miniatura de pulmones, cólones, corazón e hígado serán de vital importancia para probar posibles tratamientos ante múltiples enfermedades

Una bioimpresora tridimensional que extruye un "bioenlace" con células humanas suspendidas para crear una estructura tisular de tres capas.

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30 de julio de 2020 a las 05:02

Durante la pandemia del coronavirus, la escasez de equipo de protección personal ha sido un problema persistente, pero la impresión tridimensional ha ayudado a cubrir algunos de los vacíos. Sin embargo, junto con su equipo, Anthony Atala, director del Instituto de Medicina Regenerativa Wake Forest, ha encontrado una forma más innovadora de aplicar este proceso: crear réplicas diminutas de órganos humanos, algunas del tamaño de una cabeza de alfiler, con el propósito de hacer pruebas de medicamentos para combatir la COVID-19.

Una bioimpresora tridimensional que extruye un "bioenlace" con células humanas suspendidas para crear una estructura tisular de tres capas.

 

El equipo construye versiones miniatura de pulmones y cólones, dos órganos que el coronavirus afecta en particular, y los envía por mensajería para entrega al día siguiente a un laboratorio de bioseguridad de la Universidad George Mason en Fairfax, Virginia, donde se realizan las pruebas. Aunque en un principio crearon algunos de los organoides a mano, con una pipeta, en vista de que la pandemia sigue en aumento han comenzado a imprimirlos a escala para las investigaciones.

El instituto de Atala llevaba ya algunos años imprimiendo estos pequeños grupos de células para probar la eficacia de algunos fármacos en el combate de bacterias y enfermedades infecciosas como el virus del Zika, “pero nunca nos imaginamos que llegaríamos a considerar este procedimiento para una pandemia”, señaló. Su equipo puede imprimir “miles por hora”, comentó desde su laboratorio en Winston-Salem, Carolina del Norte.

Este proceso para construir tejido humano es una forma de bioimpresión. Aunque todavía faltan varios años para que sea posible emplearlo en seres humanos, por ahora los investigadores perfeccionan los métodos para hacer pruebas de medicamentos, con la meta a largo plazo de crear piel y órganos de tamaño normal para realizar trasplantes. Los investigadores han logrado avances tremendos en la impresión de piel, vitales para las víctimas de quemaduras, para controlar enfermedades como la diabetes (que dificulta el proceso de sanación de las heridas) y para realizar pruebas de cosméticos sin dañar a los animales ni a los seres humanos, por supuesto.

“Incluso a nosotros algunas veces nos parece ciencia ficción”, aseveró Akhilesh Gaharwar, quien está a cargo de un laboratorio multidisciplinario en el departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad Texas A&M cuyo trabajo gira en torno a la bioimpresión y otras aplicaciones de la medicina regenerativa.

Anthony Atala, director del Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa, y su equipo están utilizando la impresión en 3-D para crear réplicas en miniatura de pulmones y colon, que se ven particularmente afectados por el coronavirus

La bioimpresión es de importancia fundamental para el análisis farmacéutico en este momento, no solo por los posibles tratamientos para la COVID-19, sino también para probar tratamientos contra el cáncer y otras enfermedades. Atala explicó que los organoides les permiten a los investigadores analizar los efectos de un medicamento en un órgano “sin todo el ruido” del metabolismo completo de un individuo.

Puso como ejemplo la troglitazona, un popular fármaco para tratar la diabetes que se retiró del mercado en 2000 tras obtenerse pruebas de que ocasionaba daño hepático. Su laboratorio hizo pruebas con una versión conservada en archivos del fármaco, y Atala comentó que en solo dos semanas se volvió evidente la toxicidad del hígado. ¿A qué se debe la diferencia? Un organoide reproduce un órgano en su forma más pura y ofrece puntos de datos que quizá no se obtendrían en las pruebas clínicas, según dijo, además de que esta prueba es adicional a los estudios clínicos, no los sustituye.

Otra ventaja de las pruebas con bioimpresiones de piel u otros órganos miniatura es que también permiten determinar con más facilidad qué medicamentos que funcionan en animales como ratas quizá no funcionen bien en los seres humanos.

“Los modelos tridimensionales pueden permitirnos saltar el paso de pruebas en animales y marcar una ruta más sólida del laboratorio a la clínica”, afirmó Gaharwar. Este aspecto es importante tanto para los bienes de consumo como para los farmacéuticos; desde 2013, la Unión Europea, por ejemplo, ha prohibido a las empresas de cosméticos realizar pruebas de sus productos en animales.

El proceso

La base para imprimir un órgano, que recibe el nombre de andamio o estructura de soporte, está hecha de materiales biodegradables. Con el propósito de brindarle nutrición al organoide, se incluyen canales microscópicos de solo 50 micras de diámetro (aproximadamente la mitad del grosor de un cabello humano) en el andamio. Una vez completados, se imprime en el andamio la “biotinta”, una combinación líquida de células y un hidrogel que se convierte en gelatina, “como un pastel en capas”, explicó Atala.

Una estructura de corazón, hígado y riñón de la impresión 3D en el Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa.

Otra parte importante del proceso es la construcción de vasos sanguíneos en la impresión. Pankaj Karande, profesor asistente de Ingeniería Química y Biológica en el Instituto Politécnico Rensselaer, ha experimentado con la impresión de piel desde 2014 y hace poco tuvo éxito en este paso.

Los investigadores del instituto emplearon como andamio una célula conocida como fibroblasto, que contribuye al crecimiento, y colágeno, para imprimir la epidermis y la dermis, las primeras dos capas de la piel (la hipodermis es la tercera). “Descubrimos que a las células de la piel no les afecta que las esquiles”, dijo Karande, y logran sobrevivir.

Por desgracia, su trabajo se topó con una dificultad: si no se incorporan vasos sanguíneos, la piel termina por descamarse. Trabajando en colaboración con Jordan Pober y W. Mark Saltzman, de la Universidad de Yale, por fin lograron construir las tres capas de piel humana vascularizadas, o con vasos sanguíneos, un aspecto que Karande calificó de esencial para que la piel sobreviva después de su construcción.

Los tres comenzaron a realizar experimentos en los que integraron a la piel células endoteliales humanas (aquellas que recubren los vasos sanguíneos) y células murales humanas, o pericitos (que rodean a las endoteliales), durante el proceso de impresión. Después de muchas pruebas fallidas, por fin lograron integrar los vasos sanguíneos a la piel y descubrieron que se formaban conexiones entre los vasos sanguíneos nuevos y los existentes.

Pankaj Karande, profesor asistente de ingeniería química y biológica en el Instituto Politécnico Rensselaer, ha estado experimentando con la impresión de la piel desde 2014. Con él está Tânia Baltazar, investigadora postdoctoral en Yale.

Si bien el trabajo es preliminar y solo se ha probado en ratones, Karande dijo que espera que haber logrado imprimir piel con vascularización integrada siente las bases para que en algún momento sea posible aplicar con éxito este proceso en los seres humanos.

Según el científico, la investigación es meticulosa e involucra muchas pruebas fallidas. “Tenemos un plan A, que por lo regular sabemos que no funcionará, y toda una lista después. Lo normal es que, si podemos escribir los logros en cinco páginas, tengamos 5000 páginas con lo que no funcionó”, añadió.

 

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