Bioimpresión: El futuro de la medicina regenerativa

Milthon Lujan Monja

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Representación esquemática de los pasos necesarios para producir tejidos bioimpresos y construcciones similares a órganos. Fuente: Mota et al., (2020); Chem. Rev. 2020, 120, 19, 10547-10607.
Representación esquemática de los pasos necesarios para producir tejidos bioimpresos y construcciones similares a órganos. Fuente: Mota et al., (2020); Chem. Rev. 2020, 120, 19, 10547-10607.

La bioimpresión es una tecnología revolucionaria que utiliza impresoras 3D para crear estructuras de tejido vivo. Esta tecnología emergente tiene varias aplicaciones en la creación de construcciones de tejido funcionales para reemplazar tejidos lesionados o enfermos (Gungor et al., 2018).

Con la capacidad de fabricar estructuras intrincadas capa por capa utilizando biotinta e impresoras especializadas, la bioimpresión promete medicina personalizada, trasplantes de órganos e incluso la regeneración de tejidos dañados. De esta forma, la bioimpresión tridimensional (3D) ha surgido como un enfoque prometedor para diseñar tejidos y órganos funcionales mediante el posicionamiento preciso capa por capa de materiales biológicos, células vivas y componentes bioquímicos (Fang et al., 2022).

La tecnología ha evolucionado rápidamente en los últimos años, con avances en técnicas de impresión 3D, biomateriales y bioingeniería. Lo que alguna vez se pensó que era imposible ahora está a nuestro alcance, lo que abre infinitas posibilidades para la atención médica y, en última instancia, para la mejora de la vida humana.

En este artículo, profundizaremos en las diversas aplicaciones de la bioimpresión, exploraremos sus desafíos y limitaciones y discutiremos las implicaciones éticas de esta tecnología transformadora.

¿Qué es la bioimpresión 3d o 3d bioprinting?

La bioimpresión, o bioprinting en inglés, es un proceso similar a la impresión 3D tradicional, pero en lugar de utilizar plástico o metal, utiliza biotintas, que son materiales que contienen células vivas u otros biomateriales. La bioimpresora deposita la biotinta capa por capa para crear una estructura tridimensional que imita la estructura y la función del tejido natural.

Sun et al., (2020) y Fu et al., (2022) indican que la bioimpresión, o bioimpresión tridimensional (3D), es una tecnología central en biofabricación que utiliza células, proteínas, compuestos biológicos y biomateriales como componentes básicos para modelos biológicos, sistemas biológicos y productos terapéuticos impresos en 3D.

Asimismo, la bioimpresión, destaca Singh et al., (2020), usa la tecnología de fabricación aditiva (AM) que incorpora la biotinta capa por capa con estructuras 3D predefinidas desarrolladas en software de diseño asistido por computadora (CAD).

La historia de la bioimpresión

El bioprinting puede parecer un desarrollo tecnológico reciente, pero sus raíces se remontan a varias décadas atrás. En la década de 1980, surgió el concepto de impresión 3D cuando Charles Hull construyó la primera impresora 3D (Dey y Ozbolat, 2020), sentando las bases de lo que eventualmente se convertiría en bioimpresión. Sin embargo, no fue hasta principios de la década de 2000 que los científicos comenzaron a experimentar con la idea de utilizar impresoras 3D para crear tejidos vivos.

Los primeros experimentos exitosos de bioimpresión involucraron la impresión de estructuras simples como vasos sanguíneos y piel. Estos primeros avances allanaron el camino para futuros avances en este campo.

Bioimpresión 2D vs bioimpresión 3D

En la actualidad, en el mundo académico se habla de la bioimpresión 2D, bioimpresión 3D, e incluso de la bioimpresión 4D (lo discutiremos más adelante).

La bioimpresión 2D es una tecnología más simple y económica, pero está limitada a la creación de tejidos simples; mientras que la bioimpresión 3D es una tecnología más compleja y costosa, pero permite crear tejidos más complejos y realistas.

Es importante destacar que el 3D bioprinting es un campo en rápido desarrollo, con nuevas tecnologías y materiales que se están desarrollando constantemente.

Tabla 01. Comparación entre la Bioimpresión 2D y la Bioimpresión 3D.

CaracterísticaBioimpresión 2DBioimpresión 3D o 3D Bioprinting
DimensiónCrea estructuras planas.Crea estructuras tridimensionales.
ComplejidadMenor complejidad, ideal para tejidos simples.Mayor complejidad, permite crear tejidos más complejos y realistas.
ResoluciónMenor resolución en la construcción de tejidos.Mayor precisión y control sobre la estructura del tejido.
Tiempo de impresiónMenor tiempo de impresión.Mayor tiempo de impresión, especialmente para estructuras complejas.
MaterialesMenor variedad de materiales disponibles.Mayor variedad de biomateriales compatibles.
AplicacionesSe utiliza principalmente para investigación y desarrollo de tejidos básicos.Se utiliza para una amplia gama de aplicaciones, como la creación de órganos, implantes y modelos de tejidos para investigación.
CostoMenor costo inicial.Mayor costo inicial debido a la complejidad de la tecnología.

Ventajas y desventajas

La viabilidad y la selección de la bioimpresión 2D y 3D para una aplicación específica también dependerá de la disponibilidad de las células, los biomateriales y los equipos necesarios. En la siguiente tabla te presentamos una comparación de las ventajas y desventajas de cada tipo de bioimpresión.

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Tabla 02. Ventajas y desventajas de la Bioimpresión 2D y la Bioimpresión 3D.

Tipo de BioimpresiónVentajasDesventajas
Bioimpresión 2DMenor costo inicialMenor complejidad
Menor tiempo de impresiónMenor resolución
Adecuada para tejidos simplesMenor variedad de materiales disponibles
Fácil de aprender y usarLimitada a aplicaciones de investigación y desarrollo de tejidos básicos
Bioimpresión 3D
o 3D Bioprinting
Mayor complejidadMayor costo inicial
Mayor precisión y control sobre la estructura del tejidoMayor tiempo de impresión
Mayor variedad de biomateriales compatiblesMás complejo de aprender y usar
Se utiliza para una amplia gama de aplicaciones

La elección entre la bioimpresión 2D y 3D dependerá de la aplicación específica y de los recursos disponibles.

La ciencia detrás de la bioimpresión

La fabricación aditiva (impresión 3D) está impulsando importantes innovaciones en muchas áreas, como la ingeniería, la fabricación, el arte, la educación y la medicina (Murphy y Atala, 2014), lo que ha dado origen a la bioimpresión 3D.

La ciencia detrás de la bioimpresión se basa en los principios de la fabricación aditiva, donde los materiales se depositan capa por capa para crear un objeto tridimensional. En el caso de la bioimpresión, la «tinta» utilizada es una combinación de células vivas y una biotinta, que actúa como andamio para apoyar el crecimiento y la diferenciación celular. La biotinta está cuidadosamente formulada para imitar el entorno natural de las células, proporcionándoles los nutrientes y las señales necesarias para un desarrollo adecuado. Luego, la impresora deposita con precisión la biotinta, capa por capa, para crear un tejido u órgano completamente funcional. Este proceso es posible gracias a los avances en las técnicas de impresión 3D y al desarrollo de biomateriales compatibles.

El bioprinting es una tecnología de vanguardia que combina los campos de la biología, la ingeniería y la medicina.

Tipos de bioimpresión

Existen tres tipos principales de bioimpresión:

Bioimpresión por extrusión

La bioimpresión por extrusión es el método más utilizado. Schwab et al., (2020) describe que en la bioimpresión por extrusión abarca la deposición de filamentos de una formulación que contiene células imprimibles, que se carga en un cartucho. La biotinta se extruye a través de una boquilla fina para crear estructuras tridimensionales.

Proceso de bioimpresión por extrusión. Fuente: Daly et al., (2021).
Proceso de bioimpresión por extrusión. Fuente: Daly et al., (2021).

Bioimpresión por gota o inyección de tinta

El método de bioimpresión por inyección utiliza un cabezal de impresión similar al de una impresora de inyección de tinta para depositar pequeñas gotas de biotinta. La técnica de inyección de tinta tiene la capacidad de generar gotas en el rango de volumen de picolitros, dispararse miles de veces en unos pocos segundos e imprimir sin contacto (Li et al., 2020).

Bioimpresión en láser

Dey y Ozbolat (2020) reportan que el bioprinting basada en láser utiliza energía láser para imprimir estructuras en 3D, como en la estereolitografía (SLA), mediante un principio de fotopolimerización; y que se puede utilizar para el posicionamiento preciso de celdas.

Esquema que presenta las técnicas de bioimpresión: (A) Bioimpresión por gota. (B) Bioimpresión por extrusión. (C) Bioimpresión por láser. Fuente: Maresca et al., (2023); Cell.
Esquema que presenta las técnicas de bioimpresión: (A) Bioimpresión por gota. (B) Bioimpresión por extrusión. (C) Bioimpresión por láser. Fuente: Maresca et al., (2023); Cell.

Tintas para la bioimpresión 3D

Según Schwab et al., (2020) las tintas para biofabricación 3D se pueden distinguir en biotintas y tintas de biomateriales:

Biotintas

Las biotintas son materiales que contienen células vivas y otros componentes necesarios para la supervivencia de las células. Gungor et al., (2018) destaca que las biotintas son una solución de un biomaterial o una mezcla de varios biomateriales en forma de hidrogel, que generalmente encapsula los tipos de células deseados; y resalta que una biotinta ideal debe poseer propiedades mecánicas, reológicas y biológicas adecuadas de los tejidos objetivo, que son esenciales para garantizar la correcta funcionalidad de los tejidos y órganos bioimpresos.

Biomateriales

Los biomateriales son materiales que se utilizan para crear estructuras de soporte para las células. Las tintas de biomateriales no contienen células vivas, lo que impone demandas fisicoquímicas menos estrictas y, por lo tanto, permiten una ventana mucho más amplia de parámetros de procesamiento (Schwab et al., 2020).

Por otro lado, las empresas de bioimpresión ofrecen una variedad de soluciones, desde impresoras 3D y biotintas hasta software y servicios de diseño. Algunas de las empresas líderes en este campo que pueden inspirarte incluyen:

Aplicaciones de la bioimpresión en medicina

El bioprinting es una técnica emergente que ha evolucionado rápidamente (Sun et al., 2020), y ha sido una herramienta poderosa para crear patrones y colocar con precisión productos biológicos, incluidas células vivas, ácidos nucleicos, partículas de fármacos, proteínas y factores de crecimiento, para recapitular la anatomía, la biología y la fisiología de los tejidos (Ozbolat et al., 2016).

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Por su parte, Murphy y Atala (2014) destacan que la bioimpresión 3D se está aplicando a la medicina regenerativa para abordar la necesidad de tejidos y órganos aptos para trasplantes. Daly et al., (2021) indica que existen oportunidades de aplicarlo en la biología para la morfogénesis celular.

Medicina regenerativa

Las aplicaciones de el bioprinting en medicina son vastas y de gran alcance. Una de las áreas más prometedoras es la medicina regenerativa, donde se pueden utilizar tejidos y órganos bioimpresos para reemplazar los dañados o enfermos. Por ejemplo, los pacientes que necesitan un trasplante de órgano a menudo se enfrentan a largas listas de espera y al riesgo de rechazo del órgano. La bioimpresión ofrece una solución potencial al permitir la creación de órganos bajo demanda, utilizando las propias células del paciente para minimizar el riesgo de rechazo. Este enfoque personalizado tiene el potencial de salvar innumerables vidas y revolucionar el campo de los trasplantes.

Desarrollo de fármacos

Otra aplicación interesante de el bioprinting es el desarrollo de productos farmacéuticos. El desarrollo de fármacos tradicionales a menudo se basa en pruebas con animales, lo que puede llevar mucho tiempo, ser costoso y ser éticamente controvertido. La bioimpresión ofrece una alternativa al permitir a los investigadores crear modelos 3D de tejidos humanos, que pueden usarse para probar la eficacia y seguridad de nuevos medicamentos. Este enfoque no sólo reduce la necesidad de realizar pruebas con animales, sino que también proporciona una representación más precisa de cómo interactuarán los fármacos con los tejidos humanos.

Ejemplos de bioimpresión

Impresión de órganos

Se han impreso con éxito órganos como corazones, riñones e hígados. Bertassoni (2022) reporta que los avances en el campo hacia la fabricación realista de órganos funcionales nunca han sido tan extensos, y su investigación puede ser empleada como una hoja de ruta sobre los avances y desafíos.

Impresión de tejidos

Se han impreso con éxito tejidos como piel, cartílago y hueso. Genova et al., (2020) indica que la ingeniería de tejido óseo es una rama de la medicina regenerativa que tiene como objetivo encontrar nuevas soluciones para tratar defectos óseos, que pueden repararse mediante tejidos vivos impresos en 3D; con la finalidad de superar las limitaciones de las opciones de tratamiento convencionales mejorando la osteoinducción y la osteoconducción.

Desafíos y limitaciones de la bioimpresión

Si bien la bioimpresión es inmensamente prometedora, no está exenta de desafíos y limitaciones. Uno de los principales obstáculos es la complejidad de crear tejidos y órganos funcionales. El cuerpo humano es increíblemente complejo, con diferentes tipos de células, estructuras y funciones. Replicar esta complejidad en un órgano bioimpreso no es poca cosa. Los científicos todavía están trabajando para perfeccionar las técnicas y materiales necesarios para crear órganos completamente funcionales que puedan integrarse perfectamente con el cuerpo.

Otro desafío es la escalabilidad. Si bien se han realizado experimentos exitosos de bioimpresión a pequeña escala, ampliarlos para crear tejidos y órganos más grandes presenta desafíos logísticos y técnicos.

Murphy y Atala (2014) indican que abordar las complejidades de la bioimpresión requiere la integración de tecnologías de los campos de la ingeniería, la ciencia de los biomateriales, la biología celular, la física y la medicina.

Por otro lado, el proceso de bioimpresión requiere mucho tiempo y la creación de estructuras más grandes requiere superar cuestiones como la difusión de oxígeno y nutrientes. Además, el coste de la bioimpresión es actualmente elevado, lo que la hace inaccesible para muchas instituciones sanitarias y pacientes.

Sun et al., (2020) resumen los principales desafíos de la bioimpresión en:

  • Biotintas: la necesidad de una nueva generación de biotintas novedosas con propiedades multifuncionales para transportar, proteger y hacer crecer mejor las células durante y después de la impresión;
  • Proceso de impresión: mejores procesos de impresión e impresoras para entregar células con alta capacidad de supervivencia y alta precisión;
  • Reticulación: técnicas de reticulación y reticulantes eficientes y eficaces para mantener la integridad estructural y la estabilidad de la biotinta después de la impresión; y,
  • Cultivo celular a largo plazo: integración con dispositivos de microfluidos para proporcionar un entorno fisiológico simulado a largo plazo en el que cultivar modelos impresos.

Consideraciones éticas en la bioimpresión

Como ocurre con cualquier tecnología emergente, la bioimpresión plantea consideraciones éticas que deben abordarse cuidadosamente. Una de las principales preocupaciones es el potencial de mal uso o abuso de la tecnología de bioimpresión. La capacidad de crear tejidos y órganos vivos plantea interrogantes sobre la creación de órganos de diseño o incluso la posibilidad de mejorar las capacidades humanas más allá de lo que se considera natural. Será necesario establecer marcos y regulaciones éticos para garantizar el uso responsable de la tecnología de bioimpresión y prevenir prácticas poco éticas.

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Otra consideración ética es el uso de animales en la investigación de bioimpresión. Si bien el bioprinting ofrece el potencial de reducir o eliminar la necesidad de realizar pruebas con animales, todavía hay casos en los que los animales pueden participar en el desarrollo y validación de técnicas de bioimpresión. Lograr un equilibrio entre el avance del conocimiento médico y la minimización del daño a los animales será un desafío ético continuo en el campo de la bioimpresión.

Bioimpresión en el futuro: posibles avances y posibilidades

De cara al futuro, la bioimpresión promete avances aún más notables. Los investigadores están explorando el uso de la bioimpresión para órganos complejos, como el cerebro, que presentan desafíos únicos debido a su intrincada estructura y funcionalidad.

La capacidad de bioimprimir redes vasculares también es un foco de investigación en curso, ya que es crucial para garantizar la supervivencia y funcionalidad de estructuras bioimpresas más grandes.

A largo plazo, el bioprinting puede incluso permitir la creación de órganos personalizados y completamente funcionales que puedan integrarse perfectamente en el cuerpo humano.

Bioimpresión 4D

Massachusetts Institute of Technology (MIT) inventó la tecnología de impresión 4D, la cuarta dimensión hace referencia al tiempo. Al respecto, An et al., (2016) define a la bioimpresión 4D como grupos de tecnologías programables de autoensamblaje, autoplegamiento o autoacomodación que incluyen tres componentes principales definitorios o esenciales:

  • Diseño programable creado por el hombre y no por la naturaleza,
  • Proceso de bioimpresión 2D o 3D, y
  • Evolución programable posterior a la impresión de construcciones bioimpresas que podrían ser impulsadas por células o biomateriales y activadas por señales externas.

Asimismo, Amukarimi y Mozafari (2021) destacan que la bioimpresión cuatridimensional (4D) tiene como objetivo fabricar construcciones complejas que tienen la capacidad inherente de transformar sus propiedades en respuesta a estímulos internos o externos para reparar, regenerar o reemplazar células, tejidos y, en última instancia, órganos enfermos o dañados.

Conclusión

En conclusión, la bioimpresión es una tecnología innovadora que está cambiando el futuro de la medicina. Con su capacidad para crear tejidos y órganos vivos y funcionales, la bioimpresión promete medicina personalizada, trasplantes de órganos y regeneración de tejidos dañados.

Si bien todavía existen desafíos y consideraciones éticas que abordar, los avances recientes en la tecnología de bioimpresión nos han acercado a aprovechar todo el potencial de esta tecnología transformadora. A medida que la bioimpresión continúa evolucionando, tiene el potencial de revolucionar la atención médica, mejorar los resultados de los pacientes y mejorar la vida humana de maneras que solo podríamos imaginar en la ciencia ficción.

Referencias

Amukarimi, S., & Mozafari, M. (2021). 4D bioprinting of tissues and organs. Bioprinting, 23, e00161.

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