Recibir un trasplante de órgano suele ser un evento que salva la vida de un paciente que lo necesita, pero ahora, debido a los avances en la tecnología médica moderna, es posible que este procedimiento esencial ni siquiera requiera un donante humano.
Cuando piensa en un trasplante de órganos, probablemente imagina una transferencia de órganos de una persona a otra. Esta puede haber sido la única opción durante muchas décadas, pero la tecnología de bioimpresión 3D está cambiando nuestra forma de pensar sobre el trasplante de órganos.
Según la Administración de Servicios y Recursos de Salud de EE. UU. (HRSA), más de 105 000 pacientes en todo el país se encuentran actualmente en la lista de espera para recibir un trasplante de órganos¹. Con una nueva persona que se agrega a la lista de espera cada nueve minutos, está claro que los órganos humanos tienen una gran demanda, y las consecuencias de estos largos tiempos de espera pueden ser de vida o muerte¹.
Debido a los recursos limitados y la falta de educación sobre cómo convertirse en donante de órganos, más de 6000 estadounidenses mueren cada año mientras esperan un trasplante de órganos (hasta 17 personas por día)¹. Buscando formas de mitigar esta crisis de salud, los investigadores médicos han estado investigando opciones alternativas a las donaciones de órganos humanos. Como resultado, el apasionante campo de la bioimpresión 3D ha despegado.
Pero, ¿podemos realmente imprimir en 3D un corazón, un hígado o un riñón que funcionen para aquellos que lo necesitan? Actualmente, no, pero no estamos tan lejos como crees.
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¿Qué es el trasplante de órganos?
Para comprender mejor los avances revolucionarios de la bioimpresión 3D, primero debemos explorar los conceptos básicos del trasplante de órganos humanos.
En la mayoría de los casos, una persona requiere un trasplante de órgano después de que la función de su propio órgano se ha vuelto demasiado pobre para que pueda experimentar una calidad de vida decente. El daño de órganos de esta gravedad generalmente es causado por una enfermedad crónica a largo plazo o una lesión traumática repentina.
Una vez que ocurre un cierto nivel de daño en los órganos, el trasplante de órganos suele ser la única opción de tratamiento disponible. Durante un procedimiento de trasplante de órganos, se extrae un órgano sano del donante humano (ya sea vivo o fallecido recientemente) y se trasplanta para reemplazar el órgano dañado.
Los ejemplos de órganos que se pueden trasplantar incluyen²:
Corazón
Riñones
intestinos
Tejido corneal (en el ojo)
Hígado
Piel
Pulmones
Tejido vascular (vasos sanguíneos)
Páncreas
Hueso y tejido conectivo
Como un procedimiento invasivo increíblemente complejo, no siempre se garantiza que un trasplante de órganos sea exitoso. Independientemente de la rigurosa evaluación y compatibilidad de órganos antes de cualquier trasplante de órganos, el rechazo del trasplante (causado por el ataque del sistema inmunitario al nuevo órgano) sigue siendo un hecho bastante común².
Como resultado, las personas que han recibido un trasplante de órganos a menudo necesitan tomar medicamentos diseñados para reducir la fortaleza de su sistema inmunológico por el resto de su vida, y si bien esto reduce el riesgo de que su cuerpo rechace el nuevo órgano, aumenta su riesgo. de enfermarse de peligrosas enfermedades infecciosas.
Avances en bioimpresión: ¿una solución a la epidemia de trasplantes?
Si bien existe la necesidad de un mayor acceso a los órganos funcionales para los pacientes que necesitan un trasplante, ¿es la impresión 3D realmente una solución viable para este enorme problema de salud?
Cuando la mayoría de la gente piensa en la impresión 3D, pensamos en proyectos de pasatiempos que imprimen modelos de plástico, órganos delicados que no funcionan y que podrían implantarse en el cuerpo. Pero, desde 1988, los investigadores han estado explorando las posibilidades potenciales de la bioimpresión, que ahora se define como el proceso de utilizar tecnología de impresión 3D con células vivas para producir tejidos y órganos funcionales y sostenibles³.
El dispositivo de bioimpresión original se fabricó alterando una impresora HP para depositar células viables en un grupo, y el interés y la inversión en bioimpresión llevaron a mejoras masivas durante la próxima década³.
En 1999, se bioimprimió con éxito el primer contorno de un órgano artificial: un andamiaje de células temporales impresas en 3D con la forma de una vejiga urinaria⁴. Una vez creado, el andamiaje celular se sembró con células del receptor previsto para reducir el riesgo de rechazo, y luego se implementó todo el contorno del órgano artificial en el paciente para reemplazar su vejiga existente⁴. Diez años después, el receptor del trasplante no tuvo complicaciones peligrosas relacionadas con el procedimiento⁵.
Ahora, más de 20 años después, el interés por la bioimpresión crece rápidamente. En 2021, el mercado mundial de impresión 3D se valoró en más de 1700 millones de dólares, y los proyectos actuales muestran que la inversión y los avances en esta tecnología podrían hacer que el valor del mercado de impresión 3D se duplique con creces para 2030⁶.
Cómo funciona la bioimpresión
Para iniciar el proceso de bioimpresión de cualquier tejido u órgano, un equipo de investigadores médicos y científicos debe comenzar con imágenes digitales del órgano actual que funciona mal del paciente. Esta imagen se realiza más comúnmente a través de tomografías computarizadas y resonancias magnéticas para obtener una vista tridimensional completa del órgano que se va a reemplazar. Una vez completada, la imagen en 3D se carga en un software de computadora para crear un plan modelo.
Usando la estructura alámbrica creada con software digital y el conocimiento celular avanzado de cada tejido y órgano únicos, los investigadores crean un modelo corte por corte del órgano previsto⁷. Cada corte se usa como modelo para el dispositivo de bioimpresión 3D cuando comienza el proceso de creación del tejido real.
Luego, según el tipo de tejido que se cree, se puede usar una variedad de técnicas de bioimpresión para crear el producto final. Los ejemplos de las técnicas de bioimpresión más utilizadas incluyen⁷:
Bioimpresión basada en tinta
De estilo similar a las tecnologías tradicionales de impresión de inyección de tinta, la bioimpresión basada en tinta es un proceso preciso que consiste en depositar cantidades específicas de “biotinta” en una placa de cultivo. La biotinta es una sustancia creada a partir de células vivas y geles de biopolímeros para mejorar la adhesión⁸.
Para crear el tamaño y la forma deseados de la gota, el enlace biológico se pasa a través de un sensor piezoeléctrico a medida que se imprime. Se necesitan programas informáticos detallados y máquinas de bioimpresión diseñadas específicamente para construir con éxito tejido viable utilizando esta técnica de bioimpresión.
Bioimpresión asistida por láser (LAB)
Durante la bioimpresión asistida por láser, se utiliza un láser como fuente de energía primaria para depositar gotas sobre los biomateriales en el medio de cultivo. En la mayoría de los casos, una configuración de LAB incluye tres componentes esenciales:
Una fuente de energía láser pulsante
Una cinta recubierta con biomaterial (a veces células de donantes) depositada en una película de metal
El sustrato receptor
La bioimpresión asistida por láser suele utilizar láseres de nanosegundos con longitudes de onda UV.
Bioimpresión asistida por presión (extrusión)
Para la mayoría de los proyectos de bioimpresión, el biomaterial utilizado para fabricar el tejido viable es un líquido o una pasta. Debido a esto, se pueden usar técnicas de bioimpresión basadas en presión o extrusión para crear las formas deseadas a medida que se imprime el tejido.
Durante este proceso, se utiliza una cámara de presión de tornillo o émbolo para comprimir el biomaterial en una boquilla a microescala para crear la gota de células necesaria. Se logra una estructura 3D después de capas y capas de depósitos de biomateriales.
Estereolitografía
Desarrollada a fines de la década de 1980, la estereolitografía es un enfoque sin boquilla para la bioimpresión. Esta tecnología se basa en gran medida en el tipo de polímeros utilizados en la construcción del tejido, que debe solidificarse después de la exposición a una fuente de luz.
Utilizando una serie de microespejos, un dispositivo de estereolitografía controla la intensidad de la luz sobre el sustrato, lo que permite la creación de formas y estructuras específicas. Actualmente, la estereolitografía tiene la mayor precisión de fabricación de todas las tecnologías de impresión 3D de forma libre.
Prometedores proyectos de órganos impresos en 3D
Como podemos ver, el mundo de la bioimpresión es complejo y diverso. A medida que la tecnología continúa expandiéndose y creciendo, nos acercamos cada vez más a la construcción del primer órgano bioimpreso independiente.
Hasta la fecha, ningún equipo de investigación ha impreso un órgano completamente autosuficiente capaz de implantarse a largo plazo porque es difícil crear tejidos lo suficientemente gruesos para soportar las presiones y la tensión del cuerpo humano.
Sin embargo, los desarrollos recientes en bioimpresión han llevado a descubrimientos y avances emocionantes, que incluyen:
Riñón – 2016, Universidad de Harvard
Uno de los órganos esenciales para la vida humana, nuestros riñones mantienen nuestro equilibrio de líquidos y facilitan la filtración de desechos de nuestra sangre. Debido a la complejidad del tejido renal, la creación de una copia funcional utilizando técnicas de bioimpresión ha demostrado ser un desafío.
Sin embargo, en 2016, un equipo de científicos de Harvard desarrolló una nueva técnica de bioimpresión capaz de producir túbulos proximales (una pequeña sección de la nefrona, la unidad funcional que forma nuestros riñones)⁹.
Ovarios – 2017, Universidad Northwestern en Chicago
Como componente esencial del sistema reproductivo femenino, es probable que las mujeres que viven con ovarios dañados o que funcionan mal tengan dificultades cuando intentan concebir.
Comprometiéndose a abordar este problema con tejido creado artificialmente, un equipo de investigadores de la Universidad Northwestern utilizó técnicas de bioimpresión para crear un andamiaje para ovarios implantados en ratones infértiles. Con el tiempo, las células dentro del cuerpo del ratón crearon ovarios funcionales que permitieron que tres ratones infértiles quedaran embarazadas y dieran a luz a bebés sanos¹⁰.
Córnea – 2018, Universidad de Newcastle
Ubicada en la parte frontal del ojo, nuestra córnea es esencial para enfocar la luz en nuestra retina para producir imágenes claras de nuestro entorno. La transferencia de órganos humanos es actualmente la única opción viable para mantener la visión de una persona cuando la córnea se daña debido a una lesión o enfermedad.
Buscando explorar otras alternativas, un equipo de la Universidad de Newcastle bioimprimió con éxito una córnea humana utilizando una biotinta única en una formación circular¹¹. Si bien este proyecto fue una prueba de concepto, es un paso emocionante hacia la implantación exitosa a largo plazo de córneas bioimpresas.
Piel – 2019, Instituto Politécnico Rensselaer
Como el órgano más grande del cuerpo humano, nuestra piel es una barrera protectora viva que mantiene nuestros órganos vitales a salvo de los elementos. Llena de nervios y pequeños vasos sanguíneos, nuestra piel es más compleja de lo que parece, lo que representa un serio desafío para los investigadores que buscan ayudar a quienes necesitan injertos de piel funcionales.
En 2019, un equipo del Instituto Politécnico Rensselaer logró un gran avance al producir la primera muestra “viva” de piel bioimpresa, que incluía su propia función vascular¹².
Corazón – 2019, Universidad de Tel Aviv
A menudo considerado el órgano más importante del cuerpo humano, se necesita un corazón fuerte y saludable para suministrar sangre y oxígeno a las células de nuestro cuerpo.
Como proyecto innovador de un equipo de investigadores de la Universidad de Tel Aviv, se bioimprimió el primer minicorazón funcional utilizando células de un donante humano¹³. Si bien este modelo en miniatura no es apto para su uso como órgano implantable, es un punto de partida para los investigadores a medida que continúan mejorando sus técnicas de impresión cardíaca en 3D.
El detalle
A pesar de lo emocionantes que son estos asombrosos proyectos innovadores, todavía estamos lejos de bioimprimir órganos para reducir la carga de la epidemia de trasplante de órganos.
Actualmente, uno de los mayores desafíos para prevenir los trasplantes de órganos bioimpresos es la vasculatura única y compleja de cada órgano del cuerpo humano. Si bien los proyectos de prueba han producido órganos bioimpresos con sus propias funciones vasculares, está resultando muy difícil integrar un órgano bioimpreso en el cuerpo y conectar con éxito sus vasos sanguíneos. Requerir una precisión extrema en el diseño y la impresión del tejido es solo uno de los muchos problemas que bloquean los avances en esta emocionante tecnología.
Agregue a la mezcla las dificultades para estandarizar biotintas y sustratos celulares, el acceso limitado a los materiales correctos y los posibles problemas tecnológicos con las bioimpresoras, y está claro que la bioimpresión no es una solución simple a la escasez mundial de donaciones de órganos.
Pero, a pesar de los desafíos que se avecinan, muchas personas todavía ven la bioimpresión como una revolución médica. Capaz de reducir las listas de espera para la donación de órganos y ahorrar miles de millones de dólares en la atención de fallas de órganos, se pueden encontrar muchos beneficios si podemos descifrar el código de impresión de órganos en 3D. ¡Es posible que solo tengamos que esperar hasta que veamos a más personas caminando con órganos impresos
Dr. Martin Passen, a dedicated nutrition educator with a master’s in nutrition education and nearing completion of a clinical nutrition and dietetics master’s. Passionate about sharing valuable information effectively.