impresión 3D celulas madre

Impresoras de células madre para producir órganos artificiales

En los últimos años el desarrollo de impresoras 3D ha permitido la realización de trabajos complejos a bajo coste y con una gran precisión. Si a esto se añaden los recientes avances en cultivo de tejidos y especialmente de células madre en laboratorio, se abre una oportunidad que los científicos han buscado durante décadas: la producción de órganos artificiales. En este artículo explicaremos las técnicas que se están desarrollando para permitir este hito, y los progresos que ya se han realizado.

Principios de la impresión de células madre

Los trasplantes de órganos han supuesto un gran avance en medicina, que permite mejorar la calidad de vida a pacientes con enfermedades que de otra forma serían incurables. La principal limitación de esta técnica es que el número de pacientes a la espera de recibir un órgano es inferior a la cantidad de donantes disponibles. Así, en los países de la Unión Europea había 87.000 personas en lista de espera para recibir un órgano en 2018, pero solo 10.500 recibieron un trasplante.

La posibilidad de fabricar órganos artificiales no sólo permitiría acortar las listas de espera al aumentar el número de órganos disponibles, sino que podría eliminar el problema de la compatibilidad de tejidos. Esto es, es necesario que el donante y el receptor tengan antígenos compatibles en su organismo, o se produciría el rechazo del órgano por parte del organismo receptor, debido a una respuesta del sistema inmunológico. Esto podría evitarse si se crearan órganos con las características deseables para cada paciente particular.

impresión células madre
Imagen 1. La impresión de órganos artificiales presenta varios niveles de complejidad. Tejidos planos como la piel son sencillos de producir, pero estructuras complejas con vasos sanguíneos requieren técnicas complejas que todavía están en desarrollo.

El cultivo de células madre en laboratorio permite que estas se desarrollen en un tejido concreto (como explicábamos en el artículo de la carne artificial, es posible producir tejido muscular con fines alimenticios). Sin embargo, un órgano está compuesto por varios tipos de tejidos, por lo que el cultivo en placas Petri o incluso en suspensión es insuficiente. Se hace necesaria la superposición de diferentes capas de células, o bien la creación de estructuras 3D.

Tecnologías en desarrollo

Una de las técnicas en desarrollo que permite la impresión 3D con células madre es la bioimpresión de inyección de tinta. Las células se encuentran suspendidas en un líquido que se coloca formando capas. La presión necesaria para expulsar el líquido se puede obtener mediante la formación de burbujas de aire por calor, o bien mediante el aprovechamiento del gradiente eléctrico entre la superficie donde se depositan las células y la boquilla de impresión.

Una técnica más avanzada sería la bioimpresión por extrusión, que permite crear patrones 3D mediante la superposición de capas de material. Esto se consigue aplicando presión a la masa de células madre. El resultado son unos bloques formados por células que pueden replicarse posteriormente.

Otra técnica consiste en la solidificación de biogeles sensibles a la luz mediante pulsos luminosos, lo que se conoce como estereolitografía. Esto permite obtener capas de material que pueden ser superpuestas, y puede ser útil para producir injertos de piel artificial, por ejemplo.

Una técnica más compleja que las anteriores es la tecnología SWIFT, siglas de “sacrificial writing into functional tissue”. Esta técnica consiste en crear un bloque sólido de células para posteriormente inyectar una tinta especial. Esta tinta provoca la muerte de las células que entran en contacto con ella (de ahí el curioso nombre de la técnica), formando canales huecos en el interior del bloque de células. Esto podría permitir el paso de vasos sanguíneos o terminaciones nerviosas. Se trata de una técnica aún en desarrollo.

Avances realizados hasta la fecha

En 2019 se consiguió un hito histórico en la producción de órganos artificiales, al imprimirse el primer corazón con tejido cultivado en laboratorio. Se trataba de un pequeño corazón del tamaño de una cereza, que fue impreso en apenas cuatro horas y contaba con ventrículos separados. Este hito fue conseguido por la compañía biomédica BIOLIFE4D. Además, las células fueron cultivadas a partir de una muestra de tejido de una persona, por lo que el tejido producido no generaría un rechazo en el potencial donante.

En 2011 se produjo la bioimpresión de un riñón en el Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa, en EEUU. El científico a la cabeza del proyecto, Anthony Atala, explicó en declaraciones a la BBC que existen cuatro niveles de complejidad en la impresión de órganos artificiales. El primer nivel serían tejidos planos como la piel, el segundo serían órganos con estructuras complejas que incluyen vasos sanguíneos, el tercer nivel serían órganos huecos como el estómago y el nivel final serían órganos con gran densidad de células, como el hígado.

En otra parte del mundo, en la Escuela Nacional de Medicina de Kyungpook en Corea del Sur, los científicos han conseguido desarrollar una córnea artificial impresa en 3D que permitirá la sustitución de córneas dañadas por enfermedades oculares o algún tipo de lesión. Este órgano tiene la peculiaridad de que debe ser transparente para funcionar de forma adecuada, por lo que la producción de este tipo de tejidos está limitado por las tecnologías existentes. 

Imagen 2. Investigadores de Corea del Sur han producido por primera vez una córnea artificial, que permitirá recuperar la visión a pacientes con enfermedades degenerativas o lesiones.

Fuentes

  1. Shafiee A, Atala A (2016). Printing Technologies for Medical Applications. Trends in Molecular Medicine. 22 (3): 254–265. doi:10.1016/j.molmed.2016.01.003
  2. Singh D, Thomas D (2019). Advances in medical polymer technology towards the panacea of complex 3D tissue and organ manufacture. American Journal of Surgery. 217 (4): 807–808. doi:10.1016/j.amjsurg.2018.05.012
  3. https://www.bbc.com/mundo/noticias/2016/03/160315_atala_impresora_organos_am
  4. Freeman D (2019). Israeli scientists create world’s first 3D-printed heart using human cells. NBC News. Retrieved 2019-04-20.

Rubén Portela
Biólogo, doctorado en ecología por la Universidad de A Coruña. Apasionado por la ciencia y enamorado desde la infancia de la naturaleza y los animales, especialmente la biología marina y los insectos.