La regeneración de órganos se acerca más con "3D Sugar Printing"

Un equipo de bioingenieros ha dado un paso más cerca del día en que será posible regenerar nuevos órganos de las propias células del paciente. Los investigadores han "impreso" patrones tridimensionales de redes de vasos sanguíneos sin azúcar que permiten que los tejidos crezcan a su alrededor y luego se disuelvan, dejando atrás una "arquitectura vascular" vaciada.
Una vez que el azúcar se disuelve, el patrón de los vasos sanguíneos ahuecados se puede perfundir rápidamente con líquido rico en nutrientes y oxígeno para evitar que las células de los tejidos mueran.
(Un problema común al tratar de diseñar tejidos más gruesos como el del hígado, es que sin un sistema vascular decente que entregue nutrientes y oxígeno y elimine los productos de desecho, las células en el interior perecerán).
Aunque la ingeniería de tejidos ha avanzado mucho en los últimos años, sigue siendo imposible recrear las complejas redes de vasos sanguíneos 3D que están presentes en los órganos que crecen naturalmente.
Escribiendo en la edición en línea del 1 de julio Materiales de la naturaleza, investigadores de la Universidad de Pensilvania (Penn) y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) en Estados Unidos dicen que su método de impresión 3D de azúcar es un paso significativo en la dirección correcta y también está libre de algunos de los problemas que surgen al intentar hacer tejido 3D y su vasculatura interna por otros medios.
Por ejemplo, un enfoque común que usan los bioingenieros es hacer crecer el tejido y su red vascular capa por capa, pero esto tiene un problema importante en el sentido de que el fluido nutriente puede abrir las costuras entre las capas.

Christopher S Chen, profesor de innovación de Skirkanich en el Departamento de Bioingeniería de Penn, es uno de los principales investigadores en este trabajo. Él le dijo a la prensa:
"Esta nueva tecnología de plataforma, desde la perspectiva de la célula, hace que la formación del tejido sea un viaje suave y rápido, ya que las células solo quedan expuestas a unos minutos de pipeteo manual y a un solo paso de vertido en los moldes antes de nutrirse de nuestra red vascular. "
La técnica de colada rápida que Chen y sus colegas han desarrollado se basa en hacer un material lo suficientemente rígido como para sostenerse como una red 3D de filamentos, pero que también puede disolverse fácilmente en agua sin envenenar las células.
El otro requisito es que el material tenga que ser compatible con una impresora 3D, por lo que puede hacer redes vasculares más complejas mucho más rápido que el enfoque capa por capa, y en una escala mayor.
Después de muchos intentos de prueba y error, encontraron que el material perfecto era azúcar. El azúcar es mecánicamente fuerte y abundante en la naturaleza. Por ejemplo, en forma de celulosa, es el material más común en la biomasa de la Tierra. Otra ventaja es que los componentes básicos del azúcar se suelen agregar y disolver en medios nutritivos que nutren las células.
El becario postdoctoral Jordan S Miller es otro co-líder del equipo de investigación y miembro del Laboratorio de Microfabricación de Tejidos de Chen en el Departamento de Bioingeniería de Penn. Dijo que probaron muchas formulaciones diferentes de azúcar hasta que obtuvieron la mejor combinación posible con estos requisitos.
"Dado que no hay un solo tipo de gel que sea óptimo para cada tipo de tejido diseñado, también queríamos desarrollar una fórmula de azúcar que fuera ampliamente compatible con cualquier tipo de célula o gel a base de agua", explicó.
Eventualmente se decidieron por una fórmula que combinaba sacarosa y glucosa con dextrano para la fortaleza estructural. Lo imprimieron con una RepRap, una impresora 3D de código abierto con una extrusora diseñada a medida y software de control.
Una parte importante del método es que el azúcar debe ser estable después de la impresión, por lo que está recubierto con una capa delgada de un polímero degradable hecho de maíz que permite que la estructura del azúcar se disuelva y fluya fuera del medio de gel a través de los canales que crea sin detener el gel y sin dañar las células cercanas.
Una vez que el azúcar está fuera del camino, los investigadores alimentan líquido a través del marco vascular, para nutrir las células con nutrientes y oxígeno, de forma similar a cómo ocurre naturalmente con la sangre en el cuerpo.
Dicen que todo el proceso es rápido y barato, y pueden intercambiar fácilmente entre múltiples simulaciones por computadora y modelos físicos de estructuras vasculares.
Cuando los investigadores inyectaron células de los vasos sanguíneos humanos en la red vascular ahuecada, comenzaron espontáneamente a producir nuevos brotes capilares, lo que aumentó la penetración de la red. Así es como los vasos sanguíneos crecen naturalmente en el cuerpo.
Para probar más este efecto, los investigadores elaboraron geles que contenían células hepáticas primarias. Cuando luego bombearon líquido rico en nutrientes a través de la arquitectura vascular ahuecada, encontraron las células del hígado aumentaron la cantidad de albúmina y urea que produjeron, lo que es un signo de un comportamiento saludable en las células hepáticas.
También hubo evidencia de que más células sobrevivían alrededor de los canales vasculares que transportaban el fluido nutritivo.
Otro desafío para los órganos de bioingeniería es crear un número suficiente de células sanas y que funcionen: y la tecnología actual está muy lejos de alcanzar las densidades celulares de un hígado en pleno funcionamiento.
Pero con su sistema vascular impreso, Chen y sus colegas logró densidades celulares que se acercaron a la relevancia clínica, sugiriendo que la nueva técnica podría impulsar más investigación en órganos cultivados en laboratorio y estructuras similares a órganos.
Se cree que el umbral terapéutico para la terapia con hígado humano es alrededor de 10 mil millones de células hepáticas en funcionamiento. Chen y sus colegas han logrado acercarse a ese número, pero todavía están lejos: por gel alcanzan alrededor de decenas de millones de células hepáticas, dijeron.
Y todavía hay mucho trabajo por hacer en otras áreas, como cómo conectar estas redes vasculares a vasos sanguíneos reales y cómo la vasculatura artificial interactúa con las células del hígado.
Los fondos de los Institutos Nacionales de Salud, el Centro Penn para Ingeniería de Células y Regeneración y la Asociación Americana del Corazón-Fundación Jon Holden DeHaan ayudaron a pagar la investigación.
Escrito por Catharine Paddock PhD

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