10 investigaciones médicas en el campo de la bioimpresión 3D

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Ya ha sido realizable el trasplante de una tráquea humana gracias a la tecnología de impresión 3D. Pero hay más, mucho más… a día de hoy son casi seiscientos las investigaciones registradas en el campo de la bioimpresión 3D, es decir la impresión 3D combinada con la bioingeniería, la nanomedicina y la aparición de nuevos materiales biológicos. El presente es alentador, mediante la creación de estructuras 3D que sirven de andamiaje a las células madre para la generación de tejidos humanos. Pero el futuro es prometedor, con la creación de órganos humanos completamente funcionales de aquí a 25 años. No hay duda de que es el campo de mayor crecimiento actual.

Si bien la investigación es cara, requiere de inversiones multimillonarias, en la practica las posibilidades que ofrece la bioimpresión permite abaratar los costes quirúrgicos frente a la mayoría de los tratamientos convencionales actuales: implantes, prótesis, reconstrucciones… cuestan mucho dinero y exigen tiempos de recuperación más largos, sin olvidar el riesgo inherente de rechazo por parte del paciente. Todo esto desaparece con la bioimpresión 3D. Permite mediante un proceso de escaneo construir una réplica fiel del hueso u órgano a sustituir, por lo que encaja perfectamente y acorta el tratamiento de recuperación post-quirúrgico.

La personalización es la clave porque la bioimpresión 3D ofrece mayor precisión a la hora de generar esas estructuras 3D, luego porque se usan células madre del paciente que crecen in vitro en esas estructuras 3D; lo que reduce drásticamente el riesgo de rechazo. El resultado es una cirugía a medida que a buen seguro va a revolucionar el ámbito sanitario. He seleccionado diez ejemplos, estudios prácticos, de lo que la tecnología de impresión 3D es capaz hoy en día. Pero hay más, muchos más puesto que actualmente es un campo que recibe mucha atención e inversión, será fuente de los mayores avances en los años venideros. Antes de irnos a la sección de las investigación en curso, repasemos brevemente las claves de la bioimpresión 3D.

  1. la bioimpresión 3D ya permite la creación de tejidos humanos de varios tipos, desde partes del hígado, corazón hasta ojos o vasos sanguíneos pasando por huesos y cartílago; todavía no permite la impresión de órganos enteros funcionales.
  2. el mayor reto de la bioimpresión 3D está en la creación de vasos sanguíneos puesto que son los que se encargan de transportar a las células los nutrientes y el oxigeno imprescindible a su supervivencia; sin ellos las células in vitro mueren.
  3. la bioimpresión 3D es sinónimo de reconstrucción de tejidos humanos o regeneración de órganos pero no hay que olvidar su papel preventivo en la investigación de fármacos para la cura de enfermedades de difícil tratamiento en humanos.
  4. su papel en el desarrollo de nuevos fármacos es revolucionario ya que permite la creación de modelos tisulares 3D para la prueba de tratamientos minimizando los costes de ensayos clínicos y renunciando a la experimentación con animales.
  5. posibilita la creación de estructuras con bioimpresión de células tumorales reales para su investigación en tejidos humanos sin necesidad de someter al paciente a tratamientos innecesarios, lo que acelera la puesta en marcha de un tratamiento personalizado.
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Fabricación de modelos tumorales mediante impresión celular en 3D

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Cáncer, esa palabra entraña una gran carga emocional en el subconsciente de todos, crea angustia y un miedo cerval para quienes están llamados a cruzarse con ella en sus vidas. Y tanto,… es la principal causa de muerte a escala mundial. Hasta ahora, se viene usando modelos animales a los que se les inyecta las células cancerosas humanas para estudiar su evolución y aplicar tratamientos probando fármacos de toda clase. El otro método consiste en usar las células del cáncer en una placa de cultivo en 2D, fuera de todo organismo vivo. El problema es que no es una representación fidedigna de la complejidad estructural de un tumor real.

Pero hoy cae un nuevo obstáculo en la investigación del cáncer gracias a la impresión 3D, con la creación de un tumor impreso sobre una estructura tridimensional mediante un biomaterial cargado con las células cancerosas de cultivo in vitro. Una investigación está en marcha entre colaboradores de China y EEUU, entre otros Rui Yao, investigador de la Universidad Tsinghua de Pekin. Para entender la trascendencia de esta investigación, pensemos en sus posibilidades: la fabricación de modelos tumorales in vitro que se comportan igual que los tumores naturales, de tal modo que se pueda estudiar del desarrollo del cáncer y probar nuevos fármacos.

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La impresión 3D de estos modelos tumorales ayudarán a entender mejor el cáncer y buscar tratamientos específicos a cada paciente puesto que se podrá imprimir tumores con las células de un enfermo y probar en ellas la respuesta ante diferentes fármacos incluso antes de administrarle el tratamiento. Esta solución borra del mapa las pruebas en animales y permite buscar un tratamiento que se adapta a la perfección al ambiente fisiológico de los tumores. Ahora sólo falta encontrar el tratamiento que sea lo más eficaz sin llevarse por delante células sanas.

Trasplante de cráneo de plástico impreso usando la tecnología 3D

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La tecnología de impresión 3D ya ha hecho sus pruebas en el campo de la cirugía reconstructiva a través del uso de prótesis tridimensionales para reconstruir un hueso, pero la realidad no tardó nada en superar la ficción con el caso de esta joven holandesa de 22 años, Bon Verweij, afligida por una enfermedad ósea muy rara que aumentaba progresivamente el tamaño de su cráneo ejerciendo una presión que afectaba a su visión y, a largo plazo, incluso podría reducir drásticamente su esperanza de vida. Fue sometida a una operación quirúrgica para sustituirle parte del cráneo por una reproducción exacta de plástico hecha con la tecnología de impresión 3D.

Esta hazaña está dando muchas esperanzas a pacientes que sufren de tumores cerebrales, hasta la fecha inoperables. O a la gente que ha sufrido importantes traumatismos en la cabeza, necesitando una cirugía reconstructiva muy compleja. Se usa un escáner 3D para tomar las medidas exactas de la caja craneal que luego se envían a la impresora 3D encargada de construir el implante de plástico. Abarata muchísimo los costes y además resulta más eficaz y seguro que los implantes convencionales de titanio ya que estos no permitían tanto detalles.

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La tecnología de impresión 3D permite la creación de una reproducción exacta del hueso a sustituir, lo que agiliza la cirugía al encajar perfectamente la prótesis en el cuerpo del paciente. La revolución está en la posibilidad de crear implantes anatómicos muy precisos, facilitando la sustitución de un hueso por otro artificial usando biomateriales; ya existen impresoras 3D de tinta biológica que usan tejido humano de cultivo in vitro. En un futuro, será muy útil para todo tipo de afecciones óseas o traumatismos óseos por accidentes, además de los tumores cerebrales, osteoporosis y demás.

Diseño de comunidades bacterianas recurriendo a la impresión 3D

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La tecnología de impresión 3D representa un gran avance en el campo de la microbiología ya que permite pasar de un modelo de estudio en dos dimensiones a uno tridimensional más fidedigno donde estudiar las relaciones complejas que se crean en esas comunidades bacterianas. El objetivo planteado por Jodi L. Connell, Eric T. Ritschdorff, Marvin Whiteley y Jason B.Shear, los cuatro investigadores involucrados de la Universidad de Texas, se resume en la posibilidad de estudiar estos microorganismos para descubrir los mecanismos que los hacen inmunes a los antibióticos.

Entender los mecanismos de resistencia de las bacterias en los tratamientos antibióticos es clave para el futuro de los estudios bacteriológicos in vitro puesto que amplia nuestros conocimientos biológicos sobre las bacterias. La impresión 3D posibilita nuevas geometrías de tamaños, formas y estructuras diversas en las que los microorganismos podrán relacionarse, como en el caso de las especies bacterianas peligrosas Pseudomonas aeruginosa o Staphylococcus aureus.

Permite estudiar la forma en la que estas comunidades de bacterias se organizan y ver cómo afecta esta organización a la virulencia de las infecciones. Estos microorganismos están atrapados en una gelatina de tipo reticular altamente poroso que favorece el rápido crecimiento celular. Al aplicar los antibióticos se puede observar el nivel de resistencia de estas bacterias, como en el caso del Staphylococcus aureus y su resistencia a los antibióticos beta.lactámicos en presencia de un cultivo impresa en 3D de Pseudomonas aeruginosa.

Resumiendo, la impresión 3D nos ayudará a estudiar y entender mejor la resistencia bacteriana frente a diferentes tratamientos antibióticos.

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La impresión 3D está dando luz al campo de la odontología digital

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No nos lo repiten lo bastante, la higiene dental es muy importante… pese a ello muchos acaban con una enfermedad periodontal o pierden piezas dentales a lo largo de su vida. El que haya pasado por ahí sabe bien lo que cuesta, un riñón. La tecnología de impresión 3D está haciendo sus pinitos en la odontología 3D o digital. Hoy, los laboratorios dentales pueden abaratar y acelerar la producción de piezas y aparatos dentales de mayor calidad.

Se logra mediante un escáner 3D de la boca del paciente, con lo que las piezas impresas en 3D ganan en precisión. Implantes, coronas, puentes y un largo etcetera de aparatos de ortodoncia se pueden imprimir en 3D. Es más, esto incluye el instrumental quirúrgico de cualquier laboratorio como los retenes o guías quirúrgicas, los alienadores transparentes o bandejas de entrega y modelos de ortodoncia en 3D, todo ello con tan solo pulsar el botón de imprimir.

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La odontología digital 3D elimina todos los procesos de modelado físico, especialmente los de escayola. Y todo esto sólo es el principio ya que las posibilidades son ilimitadas. Por ahora ya se puede encontrar unas férulas invisibles impresas en 3D que encajan perfectamente y con costes inferiores; los brackets antiestéticos ya son agua pasada. La impresión 3D de alta precisión elimina muchas barreras físicas tanto como estéticas. De las férulas invisibles a las prótesis dentales impresas en 3D, este proceso facilita unas rehabilitaciones odontológicas más rápidas y de mayor calidad.

Férulas impresas en 3D para acelerar la soldadura de los huesos

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A las clásicas férulas de yeso les quedan poco, en un futuro muy breve podríamos jubilarlas a favor de las férulas impresas en 3D. De momento se trata de un prototipo diseñado por el francés Deniz Karasahin, un diseñador industrial ganador del premio A’Design por su férula 3D que utiliza ultrasonidos para acelerar la reparación ósea después de una fractura.

La principal ventaja de su diseño es el sistema de ventilación que no ofrecen las férulas convencionales de escayola, de ahí el mal olor y el picor en la piel resultantes de la falta de higiene. Es más, contrariamente a las de yeso, esta férula 3D es mucho más ligera y no impide al paciente llevar una vida normal. Es decir que su movilidad no se ve afectada dentro de lo que cabe. La férula se fabrica a la medida de los pacientes, por lo que se adapta perfectamente a la zona afectada.

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El sistema de ultrasonidos de baja intensidad llamado LIPUS acelera la reconstrucción ósea hasta en un 80%. La tecnología de impresión 3D tiene un brillante futuro en el campo de la curación de las fracturas de hueso, o sea de los exoesqueletos destinados a la sanación y regeneración ósea. Deniz no es el primero en hacer una incursión en este campo, también está el Cortex de Jake Evill. Pero la novedad en la férula de Deniz es el sistema de ultrasonidos que estimula las proteínas en la reconstrucción de masa ósea nueva; a pesar de ser un concepto ya se ha interesado la industria médica para crear el primer prototipo operativo.

Impresión 3D de células nerviosas localizadas en la retina del ojo

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Desde la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, un equipo de investigadores lograron imprimir en 3D células del ojo, concretamente las células ganglionares y gliales localizadas en la retina del ojo, todo usando una impresora 3D. El experimento se realizó usando células de ratas con resultados alentadores ya que no sólo sobrevivieron sino que pudieron cultivarlas posteriormente in vitro. Es pronto para decirlo pero se me ocurre un escenario en el que la impresión 3D podría en el futuro regenerar células nerviosas de la retina en ciegos.

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Efectivamente, la perdida de estas células es común a muchas enfermedades oculares que pueden causar ceguera total o parcial. Evidentemente, no podemos predecir el futuro pero estamos en los inicios de esta tecnología y es probable que tarde o temprano seamos capaces de regenerar células oculares dañadas por accidente o alguna enfermedad. La retina del futuro está un poquito más cerca de nosotros gracias a la impresión 3D y las posibilidades que abre esta tecnología en la medicina regenerativa de tejidos y células.

Piel sintética creada mediante un proceso de impresión láser 3D

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Si bien esta tecnología está en sus inicios, ya podemos imaginar su alcance en el futuro, regenerando la piel afectada por quemaduras leves o hasta de tercer grado. Actualmente existen investigaciones en todo el mundo en este campo, en la Universidad de Liverpool y de Manchester en Inglaterra o en Francia en el laboratorio de bioingeniería tisular de la Universidad Inserm de Burdeos. La impresión de piel a partir de las células del paciente cultivadas in vitro ya es una realidad. Esas células en suspensión en un líquido recibe el nombre de tinta biológica.

Esa tinta biológica se imprime mediante un proceso de impulsión láser 3D, y contiene diferentes tipos de células que aseguran la flexibilidad y consistencia del dermis y epidermis, están a falta de integrarle las células que permitirán formar los vasos sanguíneos necesarios a la supervivencia de los tejidos. De cara al futuro, la bioimpresión de piel directamente en una quemadura será una realidad. Aunque a día de hoy no cuenta con la incorporación de glándulas sudoríparas ni sebáceas. La ventaja es que estos tejidos se crean a partir de las células del paciente.

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Este tipo de medicina regenerativa disminuirá el riesgo de rechazo en el caso de trasplante de piel de una persona a otra. Actualmente ya están creando una base de datos con imágenes 3D de cientos de tipos de piel para que en el futuro se pueda imprimir piel sintética adaptada a cada persona en función de su sexo, edad y grupo étnico. Algún día existirá esa posibilidad, la de imprimir piel a medida del paciente; aún estamos lejos de conseguirlo dado la complejidad de ese órgano con sus matices, sombras, pecas, venas o arrugas difíciles de reproducir.

Bioimpresión 3D de vasos sanguíneos y regeneración de órganos

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Llevamos años tratando de reproducir tejidos humanos con vasos sanguíneos viables al trasplante en un humano. Lo hicimos con tejidos sintéticos pero hoy la impresión 3D y los tintes biológicos ofrecen nuevas posibilidades. El reto de imprimir tejidos humanos siempre se enfrentó al problema de la incorporación de los vasos sanguíneos; sin ellos a las células les faltan oxígeno y nutrientes además de asfixiarse por sus desechos y finalmente morir.

Los vasos sanguíneos tienen un papel crítico como avance en la creación de órganos artificiales. Desde la Universidad de Harward, un equipo de investigadores liderado por la científica Jennifer Lewis logró crear tejido con vasos sanguíneos. Concretamente se trata de un trozo de piel realizado con material biológico de impresión 3D y vasos sanguíneos usando una biotinta especial que se derrite a medida que se enfría creando una estructura de filamentos. Luego, succionan la tinta dando luz a una red de vasos sanguíneos artificiales.

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La siguiente etapa es la inyección a la red vascular de células madre cultivadas in vitro, células que crecen y se adhieren para ir regenerando los tejidos colonizando la estructura 3D previamente creada. Al final la idea es la de poder regenerar cualquier tipo de órgano puesto que las células madre se programan para convertirse en células especificas, sea para regenerar parte de un hueso o cartílago, un riñón… Pero por ahora no se logra hacer crecer un órgano entero, sólo finos tejidos artificiales para regenerar zonas afectadas por ciertas enfermedades.

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Es un paso intermediario imprescindible para el futuro de la regeneración de órganos usando las células madre de los propios pacientes. Un futuro todavía lejano pero que ya está en marcha, donde tecnología de impresión 3D y biología se dan la mano para la reconstrucción de tejidos humanos.

Trasplante de corazón humano artificial creado con impresión 3D

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Aún quedan décadas antes de que esto sea viable, pero científicos ya se han puesto manos a la obra para trazar el camino que hará posible esa hazaña del futuro. El objetivo es la creación de un corazón artificial mediante la tecnología de impresión 3D, implicando el uso de células madre del propio paciente y su trasplante. Pero volviendo al presente, ya despuntan algunas investigaciones como la del biólogo Stuart Williams del Instituto de Innovación Cardiovascular en Louisville donde logró imprimir válvulas cardiacas y vasos sanguíneos en roedores.

La idea que se va perfilando es la que a medida que se desarrolle esta tecnología se pueda imprimir un corazón por partes que se ensamblan; Stuart Williams piensa que se podrá hacer de aquí a muy poquitos años. Es muy alentador y ambicioso dada la increíble complejidad de las células que forman el corazón humano. Obviamente solucionará el problema de rechazo que puede presentarse con los órganos que se donan y trasplantan. Si cruzamos este datos con los estudios de Lewis, revela que se podría reconstruir partes dañadas del corazón.

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Hay muchas esperanzas metidas en este campo de investigación dado que los fallos cardiacos y demás enfermedades cardiovasculares son una de las principales causas de muerte en el mundo. La dificultad es doble ya que por un lado tenemos la cuestión del diseño 3D y por otro lado la viabilidad de las células de los tejidos así creados. La clave está en la impresión de vasos sanguíneos que son los que transportan el oxígeno a las células de los órganos. Las biotintas funcionan como un binomio: las células vivas que irán formando el tejido y el gel que crea la estructura 3D a la que se irán adhiriendo. De hecho, y se logró crear una oreja 3D… lo vemos a continuación.

Pabellón auricular artificial usando la tecnología de impresión 3D

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Bioingenieros de la Universidad de Cornell crearon un pabellón auricular artificial usando la tecnología de bioimpresión 3D y la ingeniería de tejidos, un hito en el mundo de la bioimpresión 3D que podría aportar una solución a una malformación congénita llamada microtia. Es una deformación del oído externo que afecta a uno de cada nueve mil nacimientos, y compromete su audición. Hasta ahora quienes sufrían de esta malformación tenían que someterse a un tedioso proceso de reconstrucción que implicaba cirugías varias pero esto está a punto de cambiar.

No es nada descabellado decir que de aquí a unos años los niños que sufren de esta malformación podrán recibir un implante, una oreja artificial con aspecto tan natural como la autentica gracias al uso de células madre del propio paciente. Crearon una imagen digital en 3D de la oreja para luego imprimirla en 3D con ayuda de geles inyectables que sirvieron de andamiaje a las células para crecer formando el cartílago de la nueva oreja. El proceso completo tarda unos tres meses para obtener un pabellón auricular de aspecto natural sin riesgos de rechazo puesto que se usó células del propio paciente para el cultivo in vitro del implante.

En estos meses el cartílago ha ido sustituyendo al colágeno utilizado durante el proceso de bioimpresión para moldear el pabellón. De aquí a tres años se podrá realizar el primer implante usando la bioimpresión 3D, lo que supondrá un gran avance en la cirugía reconstructiva. Obviamente, por ahora sólo se habla de prótesis, pues en ningún caso se trata de un órgano recreado en laboratorio. Pero es parte del camino a seguir para alcanzar este sueño… la posibilidad de crear órganos humanos completamente funcionales en menos de 30 años.