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Difusión de la ciencia
Difusión de la ciencia Vol. III. No. 3, julio - septiembre de 2015.
Impresión de riñón. Imagen: Wake Forest Institute For Regenerative Medicine.
“Bioprinting” Una nueva era
en la medicina moderna
“Bioprinting” A new era in modern medicine
Ortega-Hernández Esteban*
Granados Julio*
Resumen
a creación de tejidos y órganos a partir de la
manipulación artificial de células, materiales,
factores de crecimiento (GF de), y otros
elementos de órganos ha estado esperando
tecnologías de fabricación adecuadas. Estas
tecnologías deben ser capaces de reconstruir la
compleja composición estructural de los tejidos y
órganos humanos. El reciente desarrollo de tecnologías como la bioimpresión (bioprinting) ha reavivado el interés en la aplicación de estos métodos
para la construcción de órganos. Aunque sistemas
de tejidos individuales se han diseñado con éxito
para diversas aplicaciones utilizando enfoques
básicos de ingeniería de tejidos, la fabricación de
L
tejidos complejos que constan de múltiples células
y componentes del tejido no se ha establecido
aún. Esto es debido a diversos desafíos como
la incapacidad para volver a recrear las configuraciones celulares bien definidas y las funciones
de un tejido nativo o bien porque los tejidos vivos
contienen múltiples tipos de células y diversos
materiales extracelulares dispuestos en patrones
específicos que son difíciles de reproducir in vitro.
A pesar de estos problemas la bioprinting se sitúa
en la vanguardia de la ingeniería de tejidos en base
a estudios recientes que han demostrado la viabilidad y beneficios de implementar la bioprinting de
biomoléculas y células para la ingeniería de tejidos
y aplicaciones biológicas.
La siguiente revisión ofrece una breve y concisa
introducción a los elementos básicos y las tendencias actuales, en lo que corresponda a la celda, la
*Departamento de Trasplantes. Instituto Nacional de Ciencias Médicas y Nutrición “Salvador Zubirán”.
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Vol. III. No. 3, julio - septiembre de 2015. Difusión de la ciencia
impresión de órganos, y los diferentes métodos de
impresión. También incluimos un breve resumen
acerca de las fuentes de células utilizadas como
biotintas y finalmente los avances en este campo
en los últimos años.
Palabras clave: Impresión de tejidos, biomimetismo, autoensamblaje, mini-tejidos Biotintas.
Summary
The creation of living tissues and organs from
artificial manipulation of cells, materials, growth
factors (GF’s), and other organ elements has been
waiting for appropriate fabrication technologies.
These technologies should be capable of rebuilding
compositional and structural complexities of human
tissues and organs. The recent development
of bioprinting technologies has revived interest
in applying those emerging methods for organ
construction. Although individual tissue systems
have been successfully engineered for various
applications using basic tissue engineering
approaches, fabrication of complex tissues that
consist of multiple cells and tissue components
has not been established. This is due to various
challenges as the inability to recreate the welldefined cellular configurations and functions of
a native tissue or because living tissues contain
multiple cell types and various extracellular
materials arranged in specific patterns that are
difficult to replicate in vitro. Despite of this problems
organ printing (bioprinting) stands at the forefront
of tissue engineering based on recent studies that
have demonstrated the feasibility and benefits of
implementing bioprinting of biomolecules and cells
for tissue engineering and biological applications.
The following review provides a brief and concise
introduction to basic elements and current trends
as they pertain to cell, organ printing, and different
printing methods. We also include a brief summary
about the cell sources used as bioink and finally the
advances on this field during the last years.
Keywords: Tissue printing, biomimicry, self-assembly, mini-tissue, Bio ink.
Introducción
La técnica de impresión desde épocas antiguas,
ha marcado momentos importantes en la historia,
iniciando desde los jeroglíficos en cuevas, la
escritura en tablillas y papiros hasta el desarrollo de la imprenta y con ello la promoción de
grandes cambios en educación, política, religión
y lenguaje1-2.
En las décadas pasadas la impresión pasó, de
ser de dos dimensiones (2D) a una más evolucionada de tres dimensiones (3D), esto permitió
a la industria la producción de gran cantidad de
productos personalizados3.
En el campo de las ciencias, la impresión 3D dio
un salto cuando en 1986 Charles W. Hull describiera por primera vez la estereolitografía, método
que permite la impresión no solo de polímeros
y metales sino también de tejidos vivos4, 7. El
método consiste en la impresión de finas capas
expuestas a luz ultravioleta (uv), que empleando
como sustrato o tinta materiales biológicos que
reaccionan ante la luz uv acomoda las distintas
capas, una encima de otra, tal y como se ven las
imágenes de los cortes realizados en las tomografías computarizadas (tc); con lo que se obtiene un
tejido en 3D con amplio potencial para diversas
aplicaciones médicas y dispositivos como por
ejemplo los stents, las válvulas cardiacas, vasos
sanguíneos, injertos de piel, cartílago, hueso,
órganos huecos como vejiga, vesícula biliar, útero,
Figura 1. Procesamiento tradicional en la bioimpresión de tejidos 3D. Imagen tomada de Nature biotechnology. 3D bioprinting of
tissues and organs. Vol 32 (8) 2014.
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hasta órganos complejos como riñón, hígado,
tiroides, páncreas o simplemente modelos experimentales para probar fármacos o comprender
con más precisión los mecanismos moleculares
de las interacciones celulares8.
Sin embargo aún existen algunas limitantes para
el uso eficaz de esta tecnología y en consecuencia constituyen un gran desafío por lo que,
sin duda, en los próximos años el bioprinting será
una realidad en la práctica médica cotidiana. Esta
revisión pretende aportar los fundamentos y las
aplicaciones que ha tenido el bioprinting en los
últimos años.
Bioprinting
Existen tres enfoques centrales que conviene
mencionar:
1) Biomimetismo: Se refiere a la replicación
idéntica de componentes celulares y extracelulares de tejidos y órganos. En este campo
la comprensión y la replicación del microambiente de la matriz extracelular es uno de los
retos a solucionar9.
2) Auto ensamblaje: Se refiere a la replicación de los tejidos biológicos que emplea el
tejido embrionario como guía y las señales
específicas para la diferenciación y organización del tejido por lo que el conocimiento
profundo de la embriología, en especial de la
organogénesis, es clave en la manipulación
del microambiente en el bioprinting10.
3) Mini tejidos: Se puede definir como la
unidad funcional y estructural más pequeña
que compone a un órgano, como el caso de la
nefrona en el riñón, estos se agrupan para formar
bloques funcionales de tejido11, que conectados
a redes de microfluidos (órganos chip) permiten
el estudio de nuevos fármacos en el tratamiento
de enfermedades que afectan el riñón12.
Imagen y diseño digital
Un paso esencial en la reproducción de tejidos
es el diseño de la arquitectura del mismo; para
ello es necesario comprender la organización y
composición de cada uno de los elementos.
Actualmente existen herramientas útiles en los
estudios de imagen que permiten la reconstrucción digital de tejidos, estas herramientas son la
tomografía computarizada (ct) y la resonancia
magnética (mri), además el diseño asistido por
Figura 2. Tecnología Bioprinting (A) Inyección de tinta piezoeléctrico, (B) térmica, (C) Válvula de presión neumática (D) Bioimpresión
asistida por láser, LAB, (E) Microextrusión de pistón (F) Microextrusión de presión neumática. Imagen tomada de Bioprinting technology
and its applications. Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, European Journal of Cardio-Thoracic Surgery 46 (2014) 342–348.
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computadora (computer-aided design, cad) y la
fabricación asistida por computadora (computer-aided manufacturing, cam). Todas estas son
herramientas que junto con modelos matemáticos permiten recopilar, digitalizar tomografías y
finalmente obtener la información arquitectónica
de los tejidos13.
Estrategias de bioimpresión de tejidos
Inyección de tinta (Inkjet)
También conocidas como impresoras de goteo
a demanda, estás impresoras utilizan energía
térmica o acústica para liberar el goteo14. Son las
más empleadas tanto en aplicaciones biológicas
como en no biológicas (polímeros, metales, entre
otros) debido a su bajo costo y velocidad de
impresión (1-10,000 gotas por segundo); además
de conservar una alta viabilidad celular (>85%), la
principal desventaja es la poca densidad celular
que se alcanza (<106 células/ml)15 y la poca
viscosidad de los materiales que emplea (3.5-12
mPa/s) 16.
Micro extrusión
Es el método más accesible para las impresiones no biológicas, utiliza energía neumática17
y pistones18 para la liberación del material de
manera continua en lugar de goteo constante, lo
que permite mayor viscosidad (30 mPa/s hasta
>6x107 mPa/s)19 y con ello mayores densidades
celulares que puedan reproducir las propiedades
funcionales y mecánicas de la matriz extracelular;
sin embargo, las altas presiones a las que se
someten las células por estos métodos las hacen
menos viables (40-86%) que con la inyección de
tinta (>85%)20.
Laser assisted bioprinting (LAB)
La lab, aunque es menos común que la inyección
de tinta o micro extrusión, cada vez se emplea
con mayor frecuencia en la ingeniería de órganos.
Un dispositivo de lab típico consiste en un haz
de impulsos láser, un sistema de enfoque, una
«cinta” que contiene un soporte de transporte
de donador hecho generalmente de vidrio que se
cubre con una capa de absorción de la energía
láser (por ejemplo, oro o titanio) y una capa
del material biológico (por ejemplo, células y/o
hidrogel) preparado en una solución líquida con
un sustrato de recepción frente a la cinta. Utilizando los pulsos de láser se centran en la capa
de absorción de la cinta para generar una burbuja
de alta presión que impulsa a los materiales que
contienen células hacia el sustrato colector. La
técnica LAB es compatible con viscosidades
altas (1-300 mPa/s) tiene una viabilidad de >95%
y buena densidad celular (108 células/ml)21-23. La
mayor desventaja de este método son los costos
elevados y la contaminación por residuos metáwww.salud.chiapas.gob.mx
licos generados por la vaporización de la capa de
absorción de la energía24.
Propiedades de los materiales ideales para
bioprinting
La mayoría de los materiales empleados actualmente en el campo de la medicina regenerativa
son derivados de polímeros o basados en ellos,
como ejemplos tenemos: alginato, gelatinas,
colágeno, fibrina, ácido hialurónico y algunas
moléculas sintéticas como el polietilenglicol.
Todas ellas tienen en común que asemejan la
matriz extracelular lo cual es un reto importante
en el bioprinting actualmente25.
La selección adecuada de materiales y su rendimiento en una aplicación particular dependen
de varias características, estas se enumeran a
continuación.
1) Capacidad de impresión: Incluye las propiedades que facilitan el manejo y la colocación,
que a su vez influye sobre la viscosidad y la
gelificación del tejido.
2) Biocompatibilidad: Los materiales empleados
deben estar libres de inducir respuestas locales o
sistémicas indeseables y contribuir activamente
a que los materiales se implanten de manera
adecuada para funcionar de manera armónica26.
3) Cinética de degradación y subproductos:
Las tasas de degradación (debido a proteasas)27
deben adaptarse a la capacidad de las células
para producir su propia matriz extracelular;
además los subproductos de degradación
deben estar libres de toxicidad.
4) Propiedades estructurales y mecánicas:
Los materiales deben elegirse con base en
las propiedades mecánicas inherentes a una
adecuada construcción, van desde las fibras de
polímero termoplástico rígido para mayor resistencia a hidrogeles28 hasta materiales blandos
para fomentar la compatibilidad celular.
5) Biomimetismo del material: Las propiedades
de los materiales estructurales, funcionales y
dinámicos deseados se debe basar en el conocimiento de la composición de los materiales
endógenos del tejido29.
Fuentes celulares
La elección del linaje celular es esencial para
la construcción de un tejido, muchos tipos de
células primarias son difíciles de aislar y de
cultivar, además de tener una vida útil finita,
esta es una limitación para la funcionalidad
a largo plazo de cualquier constructo30. Las
células madre (stem cells) son un tipo de células
muy útiles para aplicaciones de ingeniería de
tejidos debido a su capacidad para proliferar
en un estado indiferenciado (auto renovación)
y a su capacidad para generar múltiples fenotipos celulares específicos. Las células madre
embrionarias y pluripotenciales inducidas tienen
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auto renovación indefinida y han demostrado su
longevidad al mantener su estado indiferenciado
durante más de ochenta ciclos de cultivo31. La
capacidad de las células madre pluripotentes
para generar grandes cantidades de células
destaca el potencial de estas células en aplicaciones terapéuticas. Existen otros tipos de
células madre, tales como las derivadas de la
médula ósea32, grasa33, placenta34 y líquido
amniótico35 que tienen diferenciación más limitada pero que son más seguras en casos de
trasplante clínico, además de tener potencial
para aplicaciones autólogas.
Aplicaciones actuales y a futuro
Aunque el campo está en una etapa temprana de
evolución, ya se ha tenido éxito en la creación de
varios tejidos a escala humana que se acercan
a la funcionalidad necesaria para el trasplante.
Miocardio
Gaetani utilizando bioprinting 3D (técnica de
extrusión a base de presión) creó una construcción que contiene células humanas cardíacas
derivadas de progenitoras de cardiomiocitos
(hcmpcs) además de alginato de sodio modificado como matriz extracelular. Se demostró la
viabilidad de las hcmpcs in vitro, la diferenciación
de hcmpcs en células-cardiomiocitos y la migración de los hcmpcs en cultivos sustentados en un
ensayo de migración de Matrigel36.
Válvulas cardiacas
Otro estudio demostró que los hidrogeles híbridos
también pueden apoyar la HAVIC (human aortic
valvular interstitial cells) y regular la respuesta
celular mediante la variación de la composición
de hidrogel híbrido. Basado en hidrogeles fotorreticulables Me-HA (methacrylated hyaluronic
acid) / Me-Gel (methacrylated gelatin) con
propiedades físicas sintonizables, se generó una
trivalva del corazón con exactitud adecuada,
alta viabilidad celular y gran potencial de remodelación. Los resultados amplían la biblioteca de
biomateriales que se utilizan bioprinting 3D37.
Microvasculatura
Cui y Boland depositaron simultáneamente
células humanas endoteliales microvasculares
(hmvec’s) y fibrina para formar microvasculatura.
Al imprimir hmvecs en conjunto con fibrina, se
encontró que las células se alinearon solas
dentro de los canales, y proliferaron en un lapso
de siete días para formar un forro confluente. A
pesar de los resultados prometedores, el riesgo
de exposición de las células y materiales al estrés
térmico y mecánico, el tamaño de las gotas, la
forma imprecisa, la obstrucción frecuente de la
boquilla y encapsulación de células mostraron
poca eficiencia y plantean considerables retos38.
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Hueso y cartílago
Recientemente Cui X desarrolló péptidos acrilados que al co-imprimir con hidrogel poliacrilado
(PEG) mediante fotopolimerización y simultáneamente, células madre mesenquimales humanas
derivadas de médula ósea (hmsc) se imprimieron
precisamente durante el proceso de fabricación
de andamio de modo. El PEG andamio péptido
conjugado resultante demostró una excelente
biocompatibilidad, con una viabilidad celular del
87,9 ± 5,3%. La obstrucción de la boquilla se
minimiza debido a la baja viscosidad del polímero
de PEG y con gran diferenciación osteogénica y
condrogénica, el tejido óseo y el cartílago demostraron excelente densidad mineral y la colocación
de la matriz del cartílago, así como aumento
significativo de las propiedades mecánicas.
Sorprendentemente, el andamio de PEG péptido
bioprinted dramáticamente inhibió la hipertrofia
hMSC durante la diferenciación condrogénica.
Colectivamente, el andamio PEG-péptido y hMSC
constituye la técnica con mayor diferenciación
osteogénica y condrogénica para la formación de
hueso y cartílago con un mínimo de obstrucción
del cabezal de impresión39, 40.
Piel
Chichkov B. mediante bioprinting asistida por
láser (Laser-assisted BioPrinting, LaBP) demostró
la disposición en 3D de células vitales como
injertos multicelulares análogas al tejido real.
Para este propósito, fibroblastos y queratinocitos
se incrustaron en colágeno; se estudiaron las
funciones celulares, características, localización
y la proliferación celular, la formación de uniones
adherentes, fundamentales para la morfogénesis
del tejido y la cohesión. Este estudio, demostró
que labp es una excelente herramienta para la
generación de constructos multicelulares. Estos
hallazgos son prometedores para la realización
de modelos 3D in vitro y sustitutos de tejidos para
muchas aplicaciones en la ingeniería de tejidos41.
Órganos
Un primer paso antes de llegar al desarrollo de
órganos complejos como riñón, hígado o tiroides
sería la fabricación de órganos más sencillos
como vejiga o vesícula biliar y aunque ya se han
desarrollado prototipos de órganos como riñón
aun hay muchos desafíos por vencer; sin embargo,
estos modelos son excelentes herramientas para
evaluar el uso de fármacos y comprender las interacciones celulares que concurren en el órgano
completo42, 43.
Conclusiones
Estamos en una era de transición que avanza
de manera muy rápida, en donde la fabricación
de nuevas biotintas, el desarrollo de cultivos de
células madre, la tecnología de bioimpresoras, la
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comprensión de la señalización celular y un mejor
control del microambiente celular y la matriz
extracelular permitirán en un futuro cercano la
producción de órganos en serie de manera automatizada y aplicada a la clínica, lo que quizás
permita en el mismo transoperatorio emplear en
conjunto técnicas de mínima invasión, la bioimpresión in situ.
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