Investigadores desarrollan un método para imprimir en 3D redes capilares sanguíneas
Un equipo de investigadores de la Universidad de Notre Dame ha logrado imprimir en 3D redes de capilares sanguíneos mediante una técnica sorprendente. Antes de profundizar en el método, conviene entender por qué la impresión 3D capilares sanguíneos resulta relevante. Solo en Estados Unidos, más de 100.000 personas esperan un trasplante, mientras que los órganos donados siguen siendo escasos. Si fuera posible imprimir órganos en 3D a partir de las propias células del paciente, se podría aliviar esta escasez y llegar a eliminar el riesgo de rechazo por parte del organismo.
Por este motivo, los investigadores llevan décadas trabajando para imprimir órganos en 3D. Sin embargo, uno de los principales retos consiste en reproducir la escala y la complejidad de las redes vasculares del cuerpo, especialmente los capilares. Una red capilar sanguínea es un entramado formado por los vasos sanguíneos más pequeños del organismo. Estos conductos microscópicos suministran oxígeno y nutrientes a las células y eliminan los residuos, por lo que constituyen un componente imprescindible de cualquier modelo de tejido bioimpreso.
(Izquierda) Capilares visualizados por fluorescencia, imagen que apareció en la portada de Nature Chemical Engineering. (Derecha) Yanliang Zhang y Yuxuan Liao, estudiante de doctorado y autor principal del estudio. (Foto: Wes Evard / Notre Dame College of Engineering)
«Imprimir vasos sanguíneos que reproduzcan los sistemas vivos naturales es muy difícil, ya que su tamaño varía», explicó Yanliang Zhang, catedrático de Materiales Avanzados y Fabricación en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica. «Reproducir correctamente los vasos más pequeños, sin perder escalabilidad ni integridad estructural, sigue siendo uno de los mayores retos de las técnicas de bioimpresión más avanzadas disponibles hoy».
Combinación de dos métodos de impresión 3D
Para imprimir redes vasculares con capilares de menos de 10 micrómetros de diámetro (¡más pequeños que el cabello humano!), el equipo utiliza dos técnicas, cada una destinada a crear componentes diferentes. En primer lugar, la matriz, un andamiaje blando y de consistencia gelatinosa que imita el tejido real, se imprime mediante extrusión. Este proceso emplea presión para depositar biomateriales capa a capa. Una vez impresa una sección de la matriz, se recurre a Aerosol Jet Printing (AJP) para depositar en su interior finos hilos de gelatina, que después se retiran para dejar canales en la matriz. La tecnología AJP enfoca aerodinámicamente el material mediante un flujo de gas envolvente, lo que permite ajustar con precisión el tamaño de los canales. El intervalo es considerable: los hilos de gelatina pueden medir desde cientos de micrómetros hasta apenas unos pocos, reproduciendo así la arquitectura heterogénea de los vasos naturales.
«Hemos alcanzado un avance decisivo en el campo de la bioimpresión», añadió Zhang. «Conseguir una resolución a escala capilar en bioimpresión es un paso importante hacia la ingeniería de tejidos plenamente funcionales y órganos completos».
Aprendizaje automático para optimizar los parámetros de impresión
El equipo también incorporó aprendizaje automático para optimizar de forma autónoma los parámetros de impresión de cada configuración vascular deseada. El sistema desarrollado les permitió ajustar con precisión el flujo de tinta y el caudal del gas de revestimiento, e identificar la combinación idónea de parámetros de impresión para un tamaño de canal determinado.
«El aprendizaje automático es una herramienta muy potente que nos ayuda a identificar los parámetros óptimos con mucha más rapidez que con el método convencional de ensayo y error», afirmó Zhang. «La incorporación de la optimización autónoma ha mejorado de forma notable la eficiencia a la hora de conseguir la calidad y la precisión deseadas en los canales impresos».
Con este enfoque, que combina dos procesos de impresión y aprendizaje automático, los investigadores fabricaron con éxito redes vasculares jerárquicas en una, dos y tres dimensiones. A continuación, sembraron células endoteliales en algunos de los canales. Estas células forman una fina capa unicelular, denominada endotelio, que recubre el interior de todos los vasos sanguíneos, las cavidades del corazón y los vasos linfáticos. La incorporación de las células endoteliales dio lugar a capas unicelulares similares a las presentes en el tejido humano vivo.
«Nos complace mucho comprobar que las células vivas se adhieren rápidamente y se extienden por las paredes internas de los canales hasta reproducir la función de barrera de los capilares humanos reales», señaló Zhang. «Es un gran paso adelante para demostrar que nuestras redes impresas mediante este proceso híbrido pueden albergar estructuras de tejido vivo sin que se produzcan fugas».
La matriz que reproduce el tejido se imprime por extrusión (izquierda), mientras que el material «sacrificial» a base de gelatina se deposita mediante Aerosol Jet Printing (derecha). Tras completar la impresión, el sistema se sumerge en agua templada y el material de gelatina, ya licuado, se retira para dejar canales precisos dentro de la matriz (extremo derecho). (Créditos de la imagen: Yuxuan Liao et al.)
Posibles aplicaciones de las redes de capilares sanguíneos impresas en 3D
Si estos diseños se incorporaran a modelos de tejido biomimético, podrían emplearse en aplicaciones de medicina regenerativa e ingeniería de órganos, así como en modelos de órgano en chip («organ-on-a-chip») destinados a evaluar la seguridad y la eficacia de los medicamentos. Además, el uso de células específicas de cada paciente para crear estos modelos podría contribuir al desarrollo de la medicina personalizada, ya que las respuestas terapéuticas podrían evaluarse en el propio modelo antes de aplicar el tratamiento al paciente.
De cara al futuro, el objetivo final de Zhang, según Notre Dame, es desarrollar una bioimpresora inteligente y autónoma capaz de producir tejidos plenamente funcionales y órganos, como el corazón, el riñón y el hígado. A corto plazo, su grupo de investigación y sus colaboradores de Harvard han obtenido financiación adicional de los National Institutes of Health para diseñar y construir una versión aún más potente de la bioimpresora híbrida de Zhang y avanzar en la fabricación de órganos cultivados en laboratorio.
El estudio contó con el apoyo de los National Institutes of Health y apareció recientemente en portada de Nature Chemical Engineering.
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*Imagen de portada: capilares. Créditos de la imagen: Cleveland Clinic.
