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Bioimpresión 3D: lo que hay y lo que vendrá

La impresión 3D de estructuras biológicas para implantar en el cuerpo humano está dando sus primeros pasos. Las oportunidades médicas en el futuro pasan por la creación de órganos en el laboratorio, aunque el presente plantea retos más inmediatos con estructuras más sencillas

Hablamos con José Becerra, catedrático de Biología Celular en la Universidad de Málaga y director científico del centro especializado BIONAND, para que nos explique cómo funciona la bioimpresión 3D y aclare cuánto tienen de real y cuánto de futurible esta tecnología

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La bioimpresión 3D permite implantar una estructura con células vivas en el paciente

La bioimpresión 3D permite implantar una estructura con células vivas en el paciente

Piezas dentales como un fragmento de mandíbula, tejidos y hasta órganos para trasplantes –un equipo de científicos estadounidense se ha propuesto sintetizar un corazón para el año 2023– se podrán conseguir mediante la bioimpresión 3D en el futuro.

Cada vez hay más literatura científica sobre este tema, como el texto publicado este verano en la revista Nature, que daba idea de los avances que se han venido produciendo en los últimos años. Sin embargo, pese a la creciente afluencia de noticias relacionadas con este campo, la experimentación sigue siendo compleja.

Todo surge de la puesta en común de tres ciencias o especialidades: la biología, la creación de biomateriales y la impresión 3D. A esta última tecnología se le están encontrando aplicaciones en sectores diversos, desde la industria a la decoración, pasando por otros tantos campos entre los que se cuenta la investigación biomédica. En este caso se trata de que el archivo informático que envíe las órdenes a la impresora 3D contenga la información necesaria (obtenida mediante escaneado) para la reproducción de un trozo de órgano, de un hueso o de un tejido.

Esta pieza impresa en 3D tiene que estar basada en materiales biocompatibles, que no sean rechazados por el cuerpo, y que además permitan sembrar células, cuyo objetivo final será producir la actividad funcional necesaria. La misión de estos biomateriales no sería otra que servir de armazón a las células para que una vez insertada la pieza en el organismo estas se reproduzcan ocupando el espacio que les corresponde, incluido el del propio material, que es biodegradable. Poco a poco la estructura compuesta de biomaterial va dejando paso a las células que el propio organismo genera, hasta retirarse una vez cumplido su papel como estructura base.

Los retos de la bioimpresión 3D

La teoría es bonita, pero los retos que quedan no son fáciles. José Becerra, catedrático de Biología Celular en la Universidad de Málaga y director científico del Centro Andaluz de Nanomedicina y Biotecnología ( BIONAND), se hace eco de las dificultades por solventar. “Por el lado biológico existe la tecnología y el conocimiento, basado en las células madre y basado en la ciencia de los materiales. Es decir, existen los materiales, existen las células y la posibilidad de cultivarlas, ahora lo que hay que hacer es poner las dos cosas juntas”.

Para hacer esto hay que calcular de forma precisa cómo se lleva a cabo el proceso. Cuál es el momento adecuado para ponerlo en marcha, qué cantidad de células hay que inyectar o cuánto tiempo se tienen en cultivo en el laboratorio antes de ser implantadas son cuestiones aún por documentar. También es imprescindible tener muy claro cómo se alimentan las células en el tiempo en que la pieza esté cultivándose en el laboratorio. Esta es una cuestión básica.

“Las células tienen que vivir cada minuto y por tanto cada minuto les tienen que llegar nutrientes. La llegada de los nutrientes en un sistema 3D es compleja porque los nutrientes tienen que atravesar por difusión de una manera físicamente posible esa estructura 3D. Esto solo es posible con unas máquinas que se llaman biorreactores, que son capaces de perfundir los nutrientes en un líquido”, indica Becerra. Los biorreactores introducen oxígeno, retirando el dióxido carbónico y los otros restos del metabolismo de la célula. Esto es necesario desde que se pone en marcha el cultivo hasta que se implanta en el cuerpo humano.

En la bioimpresión 3D hay que aplicar todo lo que se sabe de los cultivos celulares

En la bioimpresión 3D hay que aplicar todo lo que se sabe de los cultivos celulares

“Esas células que hasta ahora se han alimentado en el biorreactor ahora tienen que alimentarse en el organismo receptor. Esto quiere decir que la sangre del  organismo le tiene que llegar a todas esas células que han vivido hasta ahora en un ambiente especialmente diseñado para que sigan vivas”, explica el director científico del centro BIONAND. Conseguir la vascularización –la creación de vasos sanguíneos que lleven los nutrientes a las células implantadas– es el verdadero reto. Se pueden cultivar células en diferentes sustratos en el laboratorio, así como promover la creación de pequeños vasos sanguíneos. Pero todo esto hay que conectarlo con la circulación del organismo y esto es un problema que tardará en resolverse, según incide Becerra.

De lo sencillo a lo complejo

Las primeras pruebas tienen que hacerse con estructuras pequeñas y sencillas. “No podemos pensar que vamos a crear un riñón o un corazón, lo vamos a colocar en el paciente y ya está todo solucionado”, señala Becerra. Hoy en día se cuenta con la parte de manufactura (impresión 3D), el conocimiento biológico (para sembrar las células) y la ciencia de los materiales (la creación de biomateriales). Pero la bioimpresión 3D aún es un campo muy joven y queda mucho trabajo por delante.

“Se llevan no más de tres años en búsqueda de soluciones a los problemas”, recuerda Becerra. Más que la reproducción e implantación de órganos lo que toca hoy es pensar en soluciones a cuestiones más inmediatas. Por ejemplo, aunque se ha avanzado mucho en el ámbito de los cultivos celulares en los últimos años, ahora hay que aplicar este conocimiento a la bioimpresión 3D, que es un tipo de cultivo con características especiales.

Se implantan células madre, que tienen la capacidad de multiplicarse y después especializarse en las diferentes funciones que las células realizan en cada órgano. Y las células cultivadas deben ser prioritariamente las del paciente para evitar que sean rechazadas. En cuanto a la impresión 3D de la pieza se puede llevar a cabo de dos formas. De la máquina puede salir un armazón hecho con biomaterial al que luego se le siembran las células, o bien, el propio material que expulsa la impresora 3D contiene el cultivo celular. Pero siempre teniendo en cuenta que las células no pueden pasarse 15 minutos sin recibir oxígeno.

Las perspectivas de futuro

A pesar de su bisoñez la bioimpresión 3D puede mirar al futuro con optimismo. “Si uno pone la palabra ‘bioprinting’ en una base de datos científica internacional cada día aparecen más citas”, señala Becerra. “Creo que esto va a tardar mucho tiempo, pero puesto que se tienen los elementos que forman parte del proceso creo que va ser posible. Lo lógico es que en los próximos años se realice mucho trabajo de experimentación y vayan consiguiéndose resultados en parcelas diferentes”. La creación de pequeños vasos sanguíneos es una de las áreas donde se pueden producir avances más rápidamente.

“Cuando uno tiene un infarto de miocardio es porque se le obstruyen las arterias que irrigan el corazón. En este caso lo primero que se suele hacer es intentar desatascar las arterias y cuando eso no es posible se pone un stent, una especie de muelle que abre las arterias. Cuando esto tampoco es posible se hacen implantes de arterias, que pueden ser naturales o sintéticas”, explica Becerra, añadiendo que normalmente se usan arterias naturales, tomadas de otra parte del cuerpo del paciente. Pero la bioimpresión 3D podría sintetizar pequeños trozos de vasos sanguíneos que sean implantables. De esta forma los implantes no se tienen que tomar del propio paciente, que solo dispone de unos pocos centímetros de arteria para hacer un trasplante.

Impresora 3D

La impresión 3D es una tecnología que ha avanzado mucho en los últimos años

Queda claro que lo primero es empezar con estructuras sencillas, como pequeños vasos sanguíneos e incluso arterias. Posteriormente se puede pensar en huesos para colocar prótesis. “Así se va a seguir avanzando con la finalidad de en un futuro de poder construir un riñón y de esta forma tener riñones a la carta, sin depender de la donación de órganos, que es algo muy limitado. Hoy día la necesidad de implante de órganos nuevos aumenta cada día y la donación no aumenta. O se inventan sustitutos a los órganos donados o ahí tendremos un problema”, Becerra ve en la bioimpresión 3D una posibilidad de disponer de órganos no dependientes de la donación.

En todo caso la bioimpresión 3D de órganos queda aún lejos, “bastante lejos”, en palabras del científico, si bien no estamos tan lejos de sintetizar las partes. “Ya se han implantado  trozos de tráquea. Pensemos en que se pueden fabricar dos centímetros de tráquea que se necesitan para sustituir un trozo de tráquea que está defectuosa por cualquier causa, ya sea un tumor o un traumatismo”. En este terreno tampoco está todo resuelto. En los pocos casos –dos o tres–  que se ha trasplantado una parte de la tráquea de esta manera los resultados no han sido buenos a largo plazo y ha habido que tomar otra medida pasado un tiempo.

Otras partes por las que empezar serían la vejiga o un uréter (el tubito que comunica cada riñón con la vejiga de la orina). “Son estructuras tubulares o huecas que tienen una pared bastante simple y ahí se puede progresar bastante”, indica Becerra. Su trabajo y el de su equipo en bioimpresión 3D, sin embargo, está dirigido a reproducir estructuras como la mandíbula, una parte de la cual se puede reproducir a medida basándose en un TAC. El material para crear esta pieza es titanio poroso. En este caso no se trata de un material biodegradable, pero los poros se rellenan con estructuras del cuerpo humano para que el conjunto se integre mejor. Las encargadas de llevar a cabo esta función son las células osteogénicas, capaces de formar hueso.

¿Nuevos negocios?

Hay varias líneas de negocio que pueden salir de la bioimpresión 3D. Una de ellas es la creación de biomateriales. Actualmente hay muchos recursos dedicados exclusivamente a investigar nuevos materiales. Así ha surgido el grafeno y otros de propiedades verdaderamente valiosas. Aparte de esto, en cuanto existan productos biomédicos aprobados por las autoridades para implantarse en las personas aparecerán empresas que los construirán.

La propia fabricación de las máquinas de bioimpresión 3D es otro nicho de negocio. Un estudio de la consultora IDTechEX calcula que en general el sector de la bioimpresión 3D podría generar un negocio de unos 6.000 millones de dólares anuales dentro de diez años. Becerra opina que estos números no pasan de ser estimaciones, que pueden estar más o menos cerca de la realidad. El científico es miembro del comité de expertos de la European 3D Printing Summit, un evento dedicado a la impresión 3D que tendrá lugar en Madrid del 18 al 19 de febrero del próximo año. La sola celebración de este evento indica que los organizadores han previsto la existencia de un interés suficiente en este campo como para ponerlo en marcha.

Los bancos de células pueden ser otro de los negocios que se generen. “Si las células pueden no ser necesariamente del paciente sino que pueden ser alogénicas, no del paciente sino de otra persona, entonces existirán bancos de células como ya están existiendo para la medicina regenerativa en general”, Becerra cree que este modelo se puede hacer extensible en el futuro y acabar estableciendo bancos para la creación de vasos sanguíneos, de uréter, de vejigas o de trozos de hueso.

Al fin y al cabo la velocidad a la que se avance en bioimpresión 3D dependerá, como en muchas otras cosas, de los ingresos que se generen.  “Allí donde haya un nicho rentable aparecerán las empresas. Si no hay rentabilidad económica y hay rentabilidad clínica a lo mejor las empresas no prosperan y lo hacen los poderes públicos. Pero como valdrá mucho dinero seguramente a los poderes públicos no les será fácil”, puntualiza Becerra. Un dilema que es todo menos nuevo.

Imágenes: sea turtle, Adam J. Taylor y  Steve Jurvetson

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