¿Es la bioimpresión 3D la tecnología del futuro en la medicina personalizada?

La tecnología de bioimpresión 3D se ha convertido rápidamente en uno de los segmentos líderes de la industria de la impresión 3D en términos de innovación. Hasta hace poco, el mercado se centraba principalmente en América del Norte. Actualmente, muchas empresas, laboratorios y universidades de todo el mundo también están explorando este campo. Gracias a las técnicas de impresión 3D, las células y los biomateriales se pueden combinar y depositar capa por capa para crear piezas e implantes con las mismas propiedades que los tejidos naturales. Los biomateriales que pueden utilizarse son variados y se combinan de forma diferente según las células tratadas y la aplicación final.

Por supuesto, la mayor hazaña en este campo sería bioimprimir un órgano humano en pleno funcionamiento. Hasta la fecha, la ciencia aún no ha llegado a este punto y existen numerosas incógnitas asociadas a este proceso de impresión. Pero la investigación continúa y los avances son cada vez más prometedores. A continuación, abordaremos este tema e intentaremos responder a algunas de las preguntas más frecuentes sobre la bioimpresión 3D. Además, exploraremos los distintos procesos de impresión asociados a esta tecnología.

Créditos: Fluid Form

Los inicios de la bioimpresión

La principal razón por la que los investigadores se centraron en la bioimpresión 3D fue el sueño de imprimir en 3D un órgano humano. Es bien sabido que la demanda de trasplantes sigue aumentando cada año y que el número de personas en lista de espera para un trasplante es muy superior al de donantes. La bioimpresión 3D podría ser la solución a este grave problema. Pero, ¿cómo surgió esta tecnología?

El primer desarrollo de la bioimpresión data de 1988 cuando el Dr. Robert J. Klebe, de la Universidad de Texas, presentó su proceso Cytoscribing, un método de microposicionamiento de células para crear tejidos sintéticos en 2 o 3D usando un impresora de inyección de tinta clásica. Como resultado de esta investigación, el profesor Anthony Atala de la Universidad de Wake Forest creó el primer órgano en 2002 gracias a la bioimpresión, un riñón a pequeña escala. En 2010, nació el primer laboratorio especializado en impresión 3D: Organovo, que comenzó a trabajar rápidamente con los desarrolladores de Invetech para crear una de las primeras bioimpresoras del mercado, la NovoGen MMX. Organovo se ha posicionado como uno de los líderes en la industria y continúa trabajando en el desarrollo de tejido óseo después de injertar con éxito tejido hepático.

Hubo un gran avance que marcó el sector en 2019. Un equipo de investigadores de la Universidad de Tel-Aviv (TAU) imprimió en 3D un corazón utilizando células humanas. Este corazón se ajustaba perfectamente a las propiedades inmunológicas, celulares y anatómicas de un paciente humano. Aunque tenía el tamaño del corazón de un conejo, su complejidad era una primicia. “En el pasado se había podido imprimir en 3D la estructura de un corazón, pero no con células y vasos sanguíneos. Nuestros resultados demuestran el potencial de nuestro método para la sustitución personalizada de tejidos y órganos en el futuro”, explicó el profesor Tal Dvir, que dirigió la investigación de este estudio. Tras el gran avance marcado por estos investigadores, BIOLIFE4D también fue capaz de bioimprimir un corazón humano en miniatura, situándose como la primera empresa de EE.UU. en lograr la hazaña.

El profesor Anthony Atala.

Más recientemente, en 2022, un grupo de investigadores de la Universidad de Boston desarrolló una «bomba microfluídica unidireccional de precisión miniaturizada», también conocida como miniPUMP, mediante bioimpresión 3D. La sorprendente característica de la miniPUMP es que puede latir por sí sola, como un corazón humano, gracias a su tejido vivo. Se trata de un paso importante para avanzar en la investigación sobre el funcionamiento del corazón y ciertas cardiopatías. Además, en los últimos años se han llevado a cabo con éxito otros proyectos de reproducción de órganos a pequeña escala, lo que sugiere que la investigación continúa en esta dirección.

Por supuesto, una tecnología tan ambiciosa tiene también ciertos retos que afrontar. Una de las principales limitaciones es su elevado coste, que a menudo obstaculiza su desarrollo, así como las cuestiones éticas. Sin embargo, hoy en día existen nuevas técnicas, más o menos costosas, que empiezan a imponerse.

miniPUMP (Créditos: Jackie Ricciardi)

La bioimpresión 3D: procesos y técnicas

Como hemos mencionado, la bioimpresión 3D puede tener numerosos usos en el campo de la medicina y la investigación médica. En general, el proceso subyacente a cada aplicación es la recopilación de datos, que luego se procesan y transforman para elaborar un diseño propio. Para desarrollar tejidos e implantes funcionales con características morfológicas y arquitectónicas similares a las humanas, suele ser necesario partir de la anatomía del paciente. A grandes rasgos, el proceso implica:

• Adquisición de imágenes (TAC; IRM, etc.), tejidos y células del paciente.
• Reconstrucción de los tejidos dañados o de las partes que deben reproducirse mediante programas informáticos y técnicas de bioingeniería.
• Selección del biomaterial más adecuado.
• Inserción de las células en el biomaterial y creación del material de fabricación.
• Elección de la tecnología más adecuada para la aplicación final.

En cuanto a las tecnologías específicas, en general, las principales tecnologías utilizadas y aprobadas por la comunidad internacional son tres: la bioimpresión por inyección de tinta, por extrusión y por láser. Además de éstas, existen otras técnicas más experimentales o que se han desarrollado en el marco de investigaciones específicas, que enumeraremos más adelante.

Bioimpresión 3D por inyección de tinta

Una de las tecnologías de bioimpresión 3D más conocidas es la inyección de tinta. Esta tecnología es muy similar al proceso de impresión Inkjet tradicional de las impresoras 2D convencionales. De hecho, es posible modificar una impresora clásica y convertirla en una bioimpresora 3D. Este método permite depositar gotas de biotinta (también conocida como biomaterial) capa por capa sobre un soporte de hidrogel o una placa de Petri. Esta tecnología implica dos tipos de métodos, el térmico y el piezoeléctrico, ambos basados en una forma de biotina.

El proceso térmico emplea un sistema de calentamiento que crea burbujas de aire que se colapsan y proporcionan la presión necesaria para expulsar las gotas de biotinta. En el proceso piezoeléctrico, en cambio, hay un cristal cerámico piezoeléctrico en la boquilla. Este material tiene la capacidad de expandirse y encogerse cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de él. Al aplicar una pequeña corriente eléctrica, el cristal se contrae o se expande, empujando la tinta fuera de la boquilla. Uno de los principales inconvenientes de esta tecnología es que puede dañar la membrana celular, por lo que se obtienen tintas con bajo contenido celular.

Técnica de bioimpresión 3D por inyección de tinta.

Los científicos han hecho grandes avances en el patrón de moléculas, células y órganos con la impresión de inyección de tinta. Moléculas como el ADN se han duplicado con éxito, lo que facilita el estudio de los problemas de cáncer y su tratamiento. Células que ayudan al cáncer de mama también puede ser impresas y conservar sus funciones, con buenas perspectivas para la creación de estructuras de tejidos vivos.

Organovo utiliza la impresión por inyección de tinta para crear tejidos humanos funcionales. Específicamente, están interesados ​​en reproducir tejido del hígado humano. Lo que Organovo intenta hacer es repare alguna parte dañada del hígado del paciente mediante la implantación del tejido, esta solución prolongaría la vida del órgano hasta que el paciente sea elegible para un trasplante. Una espera que a veces puede durar varios años.

Bioimpresión por extrusión

Este método es el más popular debido a su sencillez de ejecución y a los bajos costes asociados. Se basa en la extrusión (neumática, pistón o aire) de una solución de biomateriales y células del paciente. Consiste en imprimir capa tras capa el modelo o tejido deseado. Entre las ventajas de esta tecnología figuran el hecho de que el proceso tiene lugar a temperatura ambiente, la incorporación celular directa y la distribución celular homogénea. Algunas de las bioimpresoras más populares, como la Bioplotter y la EnvisionTec, emplean esta técnica, ya que se considera la siguiente evolución del proceso de bioimpresión por inyección de tinta.

Bioimpresora 3D de Allevi

Bioimpresión 3D basada en láser

Este método utiliza el láser como fuente de energía para depositar biomateriales en un receptor. La técnica consta de una fuente láser, una cinta recubierta de materiales biológicos y un receptor. Los rayos láser irradian la cinta, haciendo que los materiales biológicos líquidos se evaporen y lleguen al receptor en forma de gotitas. Estas gotitas contienen un biopolímero que mantiene la adhesión celular y ayuda a la célula a iniciar su crecimiento. En comparación con otras tecnologías aditivas, la bioimpresión 3D asistida por láser presenta ventajas únicas. Por ejemplo, esun proceso sin boquillas ni contacto, lo que permite imprimir células con alta resolución y controlar las gotitas de biotina. Sin embargo, esta tecnología no está exenta de defectos, ya que los elevados costes asociados a ella no permiten su uso y difusión generalizados.

Poietis utiliza la bioimpresión en el desarrollo de folículos pilosos para acabar con la alopecia.

Poietis, líder francés en bioimpresión 3D, ha puesto en marcha un programa de reproducción capilar en colaboración con L’Oréal. La empresa emplea tecnología de bioimpresión 3D basada en láser, que permite depositar células con precisión en un orden determinado. El objetivo es recrear un folículo piloso como solución para estimular el crecimiento del cabello, una alternativa potencial para hombres y mujeres que se enfrentan a la calvicie. La empresa también es conocida por haber desarrollado Poieskin, un modelo de piel humana fabricado íntegramente mediante bioimpresión 3D.

Otras técnicas y novedades en bioimpresión 3D

Estereolitografía

La tecnología SLA consiste en la solidificación de un fotopolímero a través de la iluminación, y tiene la mayor precisión de las tecnologías de fabricación aditiva. Esta puede ser aplicada en bioimpresión imprimiendo con hidrogeles sensibles a la luz. Esta tecnología está todavía en desarrollo, ya que además de las ventajas de la misma, se relacionan con numerosas restricciones, como la falta de polímeros biocompatibles y biodegradables, los efectos nocivos y la imposibilidad de eliminar la estructura de soporte.

Tejido bioimpreso en 3D

Bioimpresión por ondas acústicas

Desarrollada por la Universidad Carnegie Mellon, la Universidad Estatal de Pensilvania y el MIT, esta tecnología emplea un dispositivo microfluídico que permite manipular células o partículas mediante ondas sonoras superficiales. Con este dispositivo, los investigadores pueden manipular el punto de encuentro de las ondas a lo largo de cada uno de los tres ejes. En estos puntos de encuentro, las ondas forman un nodo de captura tridimensional que atrapa células individuales. Estas células se recogen para crear patrones en 2D y posteriormente en 3D. Una técnica global que ofrece un alto rendimiento en términos de precisión de movimiento.

Con el tiempo, se han ido produciendo cada vez más avances asociados a esta tecnología, con nuevas aplicaciones o técnicas que surgen con bastante rapidez. Un ejemplo de ello es la Universidad Northwest de Illinois, con su ovario impreso en 3D, o Suecia, donde los investigadores han logrado imprimir en 3D tejido de cartílago humano. Si bien estos avances en nombre de la medicina han dado lugar a apasionantes charlas y especulaciones sobre el futuro, hay otro aspecto que aún no se ha evaluado, y son las implicaciones éticas a las que podemos enfrentarnos en relación con esta tecnología.

La técnica SWIFT

Investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard desarrollaron una nueva técnica de bioimpresión llamada SWIFT (Sacrificial Writing Into Functional Tissue), ya que su nombre sugiere que esta técnica permite la bioimpresión de vasos sanguíneos en tejidos vivos. En otras palabras, imprime en 3D canales vasculares en matrices vivas compuestas de bloques de construcción de órganos derivados de células madre (OBB).

En lugar de tratar de imprimir en 3D las células de un órgano entero, SWIFT se enfoca en imprimir solo los vasos necesarios para soportar una construcción de tejido vivo que contiene grandes cantidades de OBB, que en última instancia se pueden usar terapéuticamente para reparar y reemplazar órganos humanos con cultivos de laboratorio versiones que contienen las propias células de los pacientes. En un experimento, los tejidos específicos de órganos que se imprimieron con canales vasculares incrustados usando SWIFT permanecieron vivos, mientras que los tejidos cultivados sin estos canales experimentaron la muerte celular en 12 horas.

Los tejidos de órganos específicos impresos con canales vasculares SWIFT siguieron siendo viables (derecha), mientras que los tejidos cultivados sin estos canales experimentaron la muerte celular en 12 horas (izquierda).

El futuro de la bioimpresión 3D en la medicina

Las técnicas biomédicas buscan desarrollar una medicina personalizada en la que los médicos puedan adaptar los tratamientos a las necesidades específicas de cada paciente. En concreto, una de las principales aplicaciones de la bioimpresión 3D es la reproducción in vitro de tejidos para el ensayo de fármacos y el estudio de enfermedades específicas. La ventaja de este enfoque es limitar la experimentación con animales y conseguir que los tratamientos sean más eficaces porque se prueban con las características específicas de cada paciente.

Un ejemplo es el trabajo de Carcinotech, que está consiguiendo excelentes resultados imprimiendo en 3D tumores derivados de las propias células del paciente y probando en ellos fármacos de mayor rendimiento. Se trata de un importante paso adelante en el desarrollo de nuevas terapias contra el cáncer más específicas y combinadas. La creación de implantes o tejidos basados en las propias células del paciente también ha tenido ya éxito en casos clínicos. Un ejemplo en este campo es la empresa 3DBio Therapeutics, que fabrica implantes de oreja con hidrogeles de colágeno y células de cartílago del propio paciente.

Créditos: 3DBio Therapeutics

En términos de tendencias, Grand View Research, una empresa líder en investigación de mercados con sede en San Francisco, predijo que el mercado mundial de bioimpresión alcanzará los 4.100 millones de dólares en 2026, marcando una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) del 19,5%.

También se espera que crezca el segmento de los materiales, ya que gracias a otras tecnologías, como la IA, los científicos pueden determinar fácilmente la combinación adecuada de biomateriales para convertir los andamios médicos en tejidos. Se espera que las empresas de bioimpresión se centren en el desarrollo de biomateriales adicionales, así como de sistemas de bioimpresión con múltiples cabezales de fabricación, para apoyar el uso de múltiples biotintas en el mismo proceso. También se espera una mejora del software de bioimpresión, que ofrecerá más posibilidades al usuario.

Si nos fijamos, en cambio, en las principales preocupaciones presentes y futuras, además de los costes asociados, también existe un debate ético sobre las consecuencias de la medicina personalizada y quién podrá tener acceso a ella. Otra dificultad desde el punto de vista ético es que resulta muy complejo o imposible probar la eficacia y seguridad de estos tratamientos. Tras analizar las distintas técnicas utilizadas, sabemos que sería posible desarrollar órganos y tejidos funcionales capaces de sustituir a los humanos, pero aún no es posible evaluar si el organismo del paciente aceptará o no el nuevo tejido u órgano artificial. Y no sólo eso; hay que tener en cuenta la normativa que hay que establecer desde el punto de vista legal antes de que estos avances se pongan a disposición de los pacientes.

Los creadores de la primera córnea impresa en 3D (Créditos: Universidad de Newcastle)

Además, siempre se puede hacer un mal uso de las nuevas tecnologías, y la bioimpresión 3D no es una excepción. Si las tecnologías son capaces de crear órganos o tejidos que pueden adaptarse a las necesidades específicas de un ser humano, hay que considerar las posibles consecuencias negativas de esta medicina personalizada. En concreto, podemos pensar en la posible creación de nuevas capacidades sobrehumanas, como huesos resistentes o pulmones que oxigenen de forma diferente. Se tratan de posibilidades interesantes para determinados sectores, como el militar.

Así pues, los investigadores y científicos tienen aún mucho por hacer, no sin la ayuda de las instituciones y organismos pertinentes. Sin embargo, estamos seguros de que la bioimpresión 3D es uno de los mayores avances en el campo médico que veremos en nuestra vida. Una auténtica revolución para el futuro de la medicina.

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