La ciencia y tecnología siempre están sorprendiendo con avances que parecen sacados de la ciencia ficción, y en el campo de la biotecnología no es la excepción. Recientemente, se ha logrado algo sin precedentes: la creación de tejido cerebral vivo utilizando impresoras 3D. Este desarrollo promete ser una revolución en el estudio de enfermedades neurodegenerativas y en las futuras aplicaciones de trasplantes cerebrales. Si eres un apasionado de la biotech y la tecnología, este artículo de Alveritmos te llevará por un recorrido sobre estas impresionantes innovaciones en bioprinting.
Avances en la impresión 3D de tejido cerebral
La impresión en 3D es una forma de crear objetos tridimensionales capa por capa a partir de diseños hechos en la computadora. Esta tecnología se puede usar con diferentes materiales y permite hacer objetos personalizados para tratar distintas enfermedades. La bioimpresión en 3D es una versión avanzada de esto, que usa células y materiales biológicos para hacer tejidos y órganos artificiales que imitan a los naturales. Se usan «tintas» especiales que contienen células y otros ingredientes para imprimir estas estructuras, usando diferentes métodos de impresión.
El bioprinting es una técnica que utiliza impresoras 3D para crear estructuras celulares complejas que imitan tejidos biológicos. Hasta ahora, uno de los principales desafíos era la creación de tejido cerebral que no solo replicara la apariencia, sino el funcionamiento del mismo.
Este estudio se centra en entender cómo funcionan las redes neuronales del cerebro humano. Pero es difícil investigarlo porque faltan tejidos neuronales humanos confiables para hacer evaluaciones dinámicas de cómo funcionan estos circuitos en tiempo real.
Para solucionar este problema, los investigadores crearon una tecnología llamada bioimpresión 3D. Básicamente, usaron una impresora especial que puede colocar células humanas en un patrón específico en tres dimensiones. Así, pudieron construir tejidos con diferentes tipos de células nerviosas humanas de manera precisa.
Lo interesante es que estas células impresas se desarrollaron en neuronas y formaron circuitos neuronales que funcionaban dentro del tejido. Esto fue evidenciado por la actividad eléctrica entre diferentes partes del tejido neuronal, así como por su respuesta a la estimulación.
Además, también imprimieron células llamadas astrocitos, que son importantes para el soporte y la comunicación entre neuronas. Estas células se desarrollaron correctamente y formaron redes con las neuronas, demostrando que el tejido era funcional.
En resumen, esta tecnología permite crear tejidos neuronales humanos en el laboratorio que pueden ayudar a entender mejor cómo están conectadas las redes neuronales en el cerebro humano, así como también pueden ser útiles para estudiar enfermedades neurológicas y probar nuevos medicamentos.
Nueva tecnología para la impresión 3D de tejido cerebral
La clave ha sido la modificación de técnicas de impresión existentes para permitir la impresión de múltiples subtipos de células cerebrales, manteniendo un control preciso sobre su ubicación dentro de las estructuras resultantes.
Creación de tejido cerebral realista con impresoras 3D
Con nuevos avances, científicos han logrado crear tejidos que no solo tienen las características físicas del tejido cerebral, sino que además son capaces de exhibir funciones celulares básicas. Logrando superar obstáculos previos en la replicación del complejo tejido neuronal y creando 3D Bioprinting Solutions. Se introduce una técnica novedosa llamada Impresión volumétrica por extrusión integrada (EmVP)
El EmVP
El EmVP combina la bioimpresión por extrusión-bioimpresión y la bioimpresión volumétrica ultrarrápida sin capas.
Dentro de sus características principales está que permite la creación de patrones espaciales con múltiples tintas/tipos de células. Así como también el desarrollo de microgeles sensibles a la luz como bioresinas (μResins) para la bioimpresión volumétrica basada en luz.
Funciona a través del ajuste de propiedades mecánicas y ópticas de las micropartículas a base de gelatina para su uso como baño de soporte en la impresión por extrusión suspendida. Con esta tecnología las µResinas se pueden esculpir en segundos con proyecciones de luz tomográfica en construcciones intrincadas, granulares a base de hidrogel, de escala centimétrica.
Tratamiento del Neurotrauma – International Journal of Bioprinting
Esta tecnología de impresión en 3D de acuerdo a la International Journal of Bioprinting en su estudio de 3D printing technology in neurotrauma, ofrece una serie de beneficios notables en el tratamiento del neurotrauma. En primer lugar, permite la personalización de estructuras adaptadas a las lesiones específicas del sistema nervioso, utilizando datos topológicos en 3D para garantizar una precisión óptima en la regeneración nerviosa.
Además, la capacidad de imprimir células y sustancias bioactivas en ubicaciones específicas mejora la supervivencia de las células trasplantadas y facilita la regeneración nerviosa. Esta tecnología también posibilita la combinación de diferentes tipos de células y bioactivos con diversos biomateriales para recrear el microambiente neural en el sitio lesionado. Por último, la impresión en 3D permite una visualización no invasiva y a largo plazo de las estructuras implantadas, lo que resulta especialmente útil dada la ubicación delicada del sistema nervioso dentro de estructuras óseas.
Ventajas sobre técnicas existentes
Comparándolo con los modelos actuales, como los organoides, esta nueva metodología permite un mayor control sobre la arquitectura celular, haciendo posible la creación de tejidos más sofisticados y funcionales.
Funcionalidad y observaciones en las construcciones impresas
Las investigaciones muestran que las células dentro de las construcciones impresas pueden madurar y conectarse unas con otras, replicando de manera sorprendente la organización celular del cerebro humano.
3D Bioprinting market
El mercado de la bioimpresión 3D, de acuerdo a investigaciones realizadas por Vantage Market Research, ha sido valorado en 1,2 mil millones de dólares en el 2022 y se espera alcance los 5,19 millones de dólares para el 2030.
América del Norte lidera en bioimpresión 3D debido a la investigación activa y la demanda de trasplantes. Además, India y China emergen como oportunidades de crecimiento debido al respaldo gubernamental y la demanda de cirugías estéticas.
Algunas bioprinting companies de este mercadoa nivel global son:
Envisiontec, Inc. La bioimpresora EnvisionTEC también se ha utilizado para fabricar hueso hiperelástico , implantes de ovario y un modelo de placenta y se está utilizando en investigaciones sobre regeneración ósea .
Organovo Holdings, Inc. En enero del 2024, presento hallazgos positivos sobre un modelo de tejido humano que presentan una mejor funcion de la barrera epitelial y una reducción en la funcion de la fibrosis.
Inventia Life Science PTY LTD
Poietis, Vivax Bio, LLC creó un modelo de piel humana a traves de la bioimpresión llamado Poietis Poieskin.
Allevi ha realizado estudios en medicina generativa, cicatrización de heridas, transplantes e injertos de organos, así como investigación en terapias con células madres.
Entre otras empresas como Cyfuse Biomedical KK, 3D Bioprinting Solutions, Cellink Global, Regemat 3D SL quienes trabajan dia a día para generar inovaciones que hagan posible ampliar las fronteras del Bioprinting 3D con aplicaciones médicas.
Desafíos y áreas de mejora
Pese a los logros, aún existen limitaciones en cuanto a la complejidad y la fidelidad total que puede ofrecer el tejido impreso comparado con el natural.
Capturar arquitecturas jerárquicas a micro y macroescala y patrones celulares anisotrópicos sigue siendo un desafío importante en la bioimpresión. Este desafío actúa como un cuello de botella para la creación de modelos fisiológicamente relevantes. Dedicar esfuerzos a la investigación continua será clave para seguir avanzando.
Implicaciones y aplicaciones del bioprinting
Estos avances abren un mundo de posibilidades para el estudio detallado de enfermedades cerebrales y el desarrollo de tratamientos más eficaces. Además, auguran un futuro donde los trasplantes de tejido cerebral podrían convertirse en una realidad.
Con el tiempo, se espera ampliar la diversidad de células que se pueden imprimir y comprender mejor el entramado de sus interacciones, lo cual tendría un impacto transformador en la forma en que entendemos y tratamos las enfermedades del cerebro. El camino por delante está lleno de desafíos técnicos y éticos, pero el potencial es enorme. Estamos presenciando los inicios de una era donde la impresión 3D y la bioingeniería se entrelazan para recrear la vida misma, célula a célula.
En resumen, la tecnología emergente de impresión en 3D ofrece flexibilidad de diseño, personalización y precisión en la fabricación, lo que permite la creación de construcciones neurales funcionalizadas para el tratamiento del neurotrauma. Aunque se han logrado avances significativos, persisten desafíos como la optimización del sistema de impresión, la mejora de los biomateriales disponibles y la traducción clínica de los dispositivos impresos en 3D. Es crucial comprender los mecanismos de reparación del sistema nervioso dañado para guiar el diseño de nuevos productos. Se espera que las construcciones impresas en 3D con combinaciones de estrategias de tratamiento conduzcan a avances futuros en este campo.
Referencias
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