El somni d’un cos recanviable
La bioimpressió 3D accelera la fabricació de teixits humans
El somni de tenir recanvis per a cada òrgan i funció del cos està cada dia més a prop. Ulls biònics, implants coclears, braços robòtics manejats amb la ment, pell artificial, implants de cèl·lules de la retina o de teixit muscular cultivat al laboratori i fins i tot gens rectificats resolen ja problemes de salut o funcionals d’algunes persones. I els últims avenços en bioimpressió 3D fan preveure que en pocs anys l’oferta de
canvis s’ampliarà d’una manera significativa perquè aquesta tecnologia accelera i simplifica la fabricació de teixits humans. “Veient les últimes fites aconseguides al laboratori, en qüestió de mesos podran començar assajos clínics per implantar ossos gruixuts impresos en 3D a persones que hagin patit una pèrdua òssia important, i després és previsible que comencem a veure impressions d’òrgans tubulars, com trossos d’intestí, tràquea o vasos sanguinis, que són teixits de forma cilíndrica i estructura per capes, que combinen només dos o tres tipus de cèl·lules, i sembla que són abordables amb el sistema de bioimpressió 3D,” augura Josep Samitier, director de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (Ibec).
Les fites a què fa referència Samitier són les que han aconseguit científics de l’Institut de Medicina Regenerativa Wake Forest, de Carolina del Nord (Estats Units), que han fet servir un sistema de bioimpressió per crear ossos, cartílags i músculs d’orelles i mandíbules a mida real! “Un dels problemes que hi havia fins ara amb la bioimpressió és que en treballar amb cèl·lules, els biomaterials han de ser molt tous i molt fluids per permetre que les cèl·lules es moguin, i això no permetia fer estructures d’un gruix important perquè després de diverses capes es col·lapsaven; ia més, quan les capes de cèl·lules passaven del centenar de micres, les cèl·lules interiors es morien per falta de nutrients i d’oxigen, cosa que obligava els biòlegs a fer servir estructures en forma d’esfera i de mida petita perquè les cèl·lules hi poguessin sobreviure”, explica el director de l’Ibec.
Però l’equip de medicina regenerativa que lidera Anthony Atala a Wake Forest ha ideat una manera d’impressió que resol aquest problema. Segons els resultats publicats fa uns dies en
Nature Biotechnology, solucionen el problema de l’estabilitat de l’estructura imprimint les cèl·lules en materials polimèrics biodegradables amb prou força per suportar-les fins que el teixit madura. “Fem servir allò que en microelectrònica es denomina
capes de sacrifici: combinen els hidrogels i les cèl·lules amb un polímer més resistent que actua com a biga i que manté l’estructura durant la fase de construcció; després, quan ja està fet el sistema, es retira aquest material extra i l’estructura es manté, de manera similar com els romans feien servir les cintres per construir els arcs”, detalla Samitier.
A més, Atala i el seu equip van integrar microcanals als objectes impresos perquè els nutrients i l’oxigen tinguessin camins per on arribar a tots els racons. El resultat va ser que quan van implantar en rosegadors les estructures de cartílag, os i músculs que havien imprès en 3D, aquestes estructures van aconseguir madurar i desenvolupar un sistema de vasos sanguinis. “El sistema d’impressió 3D que es descriu en Nature facilita els sistemes de creixement cel·lular i
estructures més complexes perquè les bioimpressores permeten combinar capçals amb cèl·lules diverses, materials diversos, i això accelera molt el procés tecnològic” per fabricar teixits humans.
Fa temps que equips d’investigació d’arreu del món intenten fabricar teixits humans i diversos ho han aconseguit per vies diferents, com la de cultivar les cèl·lules en bioreactors, la de crear estructures de biomaterials sobre les quals després implanten cèl·lules que acaben colonitzant aquesta bastida fins a fer-la desaparèixer, o la de generar organoides (agrupacions de cèl·lules que s’organitzen per funcionar com un rudiment d’òrgan sobre el qual es poden fer proves, per exemple, de toxicitat).
Però totes aquestes tècniques tenen l’handicap (entre d’altres) de la lentitud. “Per omplir un mil·límetre de biomaterial necessitem entre dos i quatre milions de cèl·lules i per cultivar-les triguem uns 20 dies; així que obtenir els milers de milions de cèl·lules, i de diversos tipus, que necessitaríem per crear un òrgan complet és un repte que encara sembla molt lluny d’aconseguir” per aquestes vies, comenta Fernando de la Portilla, cirurgià i investigador de l’Institut de Biomedicina de Sevilla (Ibis), especialitzat en enginyeria de teixits i que treballa en el disseny d’un esfínter artificial per a persones que no en tenen o que no els funciona i que, entretant, està aplicant un tractament experimental (en fase d’assaig clínic) que consisteix a implantar cèl·lules musculars per restituir el múscul en pacients amb incontinència fecal o amb fístula anal.
El director de l’Ibec –institució que acaba de dotar-se d’una bioimpressora 3D d’última generació amb la qual està previst crear estructures parcials de diversos òrgans i intentar fabricar os i cartílag destinats a medicina regenerativa– considera que la gran aportació dels nous sistemes d’impressió de teixits és poder fer-los més ràpid i de manera més eficient. “Si en la bioimpressió fas servir cèl·lules del mateix pacient per crear el teixit que li implantaràs, llavors limites l’efecte immunològic de rebuig”, apunta.
El director del Centre de Medicina Regenerativa de Barcelona (CMRB), Ángel Raya, considera que la impressió 3D pot tenir sentit per crear estructures senzilles, com làmines de pell o d’altres teixits senzills, però opina que la fabricació d’òrgans complets útils per a trasplantaments “ni és a prop ni ens la plantegem perquè amb la tecnologia actual hi ha dubtes que es pugui aconseguir un òrgan que tingui sistema circulatori i que funcioni”.
També De la Portilla considera que el gran repte per a la fabricació d’òrgans humans és la vascularització, aconseguir dotar les estructures d’un sistema circulatori que alimenti i oxigeni les cèl·lules i connecti amb la resta de l’organisme. “Hi ha centenars de problemes per aconseguir un òrgan complet. Per això s’està apostant sobretot per pell i per teixits com cartílag i os, que es poden obtenir per impressió o mitjançant el cultiu per la particularitat que no tenen vasos sanguinis”, diu.
No obstant això, en els últims mesos també s’ha avançat en solucions perquè les cèl·lules puguin respirar i alimentar-se als teixits artificials. Sonia Contera, codirectora de l’Institut de Nanotecnologia per a la Medicina de l’Oxford Martin School, i Eneko Axpe, investigador de la Universitat del País Basc, han dissenyat una estratègia per augmentar el volum lliure entre les molècules del material que serveix de bastida a les cèl·lules, de manera que aquestes cèl·lules puguin rebre l’oxigen i els nutrients necessaris. “Hem vist que afegint nanotubs de carboni al quitosan (un polímer que tenen gambes i crancs a la closca i que una vegada desmineralitzat és molt tovet i adequat per a les cèl·lules) podem alterar el volum lliure com vulguem perquè les molècules d’oxigen i sucre es moguin millor, i hem comprovat que d’aquesta manera es facilita la difusió de nutrients, cosa que té a veure amb la hidrofugacitat”, explica Contera. La investigadora de la Universitat d’Oxford dissenya ara un dispositiu que permeti a metges i altres professionals que treballen amb cèl·lules conèixer per avançat la duresa i altres característiques mecàniques i físiques dels biomaterials per tal de poder triar els més adequats al tipus de teixit o cèl·lula que faran servir.
“Perquè les cèl·lules s’adhereixin a les estructures nanomètriques cal controlar les propietats químiques i mecàniques dels materials, i això no és fàcil, suposa tot un repte, perquè si tractes que les cèl·lules creixin en un material més dur que la matriu natural, allò no funciona, i els teixits humans tenen molt poca duresa –la del cervell és inferior a un quilopascal, és a dir, menys que la gelatina–, de manera que segons el material que fas servir, l’estructura s’enfonsa”, detalla Contera. En aquest sentit, creu que des del punt de vista de la física –la seva especialitat– el teixit més fàcil de reproduir després de la pell serà l’ossi, pel fet que és el més dur.
Apunta, no obstant això, que el teixit imprès que està més avançat ara com ara és la pell, entre altres raons per l’interès que té per a la indústria farmacèutica i per a les empreses de cosmètica el fet de poder disposar de teixits gairebé humans on provar els seus productes i fer experiments. I mentre que per la via del cultiu es necessiten fins a quatre setmanes per aconseguir una peça d’un centímetre quadrat, la impressió 3D permet, amb les mateixes cèl·lules inicials, fer-ho en menys d’un dia.
De fet, companyies com L’Oréal o BASF ja s’han associat amb biotecnològiques com Organovo i Poietis. “Jo crec que encara trigarem a fabricar teixits per regenerar òrgans, però no tant per disposar d’ossos, cartílags o músculs per fer proves de medicaments als laboratoris”, conclou Contera.
JOSEP SAMITIER (IBEC) “En qüestió de mesos podrem provar d’implantar ossos gruixuts impresos”
FERNANDO DE LA PORTILLA (IBIS) “S’aposta per pell, teixit ossi i cartílag perquè no tenen vasos sanguinis”