Los bioingenieros han superado un obstáculo importante en el camino hacia la impresión 3D de órganos de reemplazo con una técnica innovadora para la bioimpresión de tejidos.
La nueva innovación permite a los científicos crear redes vasculares exquisitamente entrelazadas que imitan los conductos naturales del cuerpo para la sangre, el aire, la linfa y otros fluidos vitales.
La investigación aparece en la portada del número de esta semana de ciencia . Incluye una prueba de principio visualmente sorprendente: un modelo de hidrogel de un saco de aire que imita los pulmones en el que las vías respiratorias entregan oxígeno a los vasos sanguíneos circundantes. También se informaron experimentos para implantar construcciones bioimpresas que contienen células hepáticas en ratones.
El trabajo fue dirigido por los bioingenieros Jordan Miller de la Universidad de Rice y Kelly Stevens de la Universidad de Washington UW e incluyó a 15 colaboradores de Rice, UW, Duke University, Rowan University y Sistema Nervioso, una firma de diseño en Somerville, Massachusetts.
"Uno de los mayores obstáculos para generar reemplazos de tejidos funcionales ha sido nuestra incapacidad para imprimir la compleja vasculatura que puede suministrar nutrientes a los tejidos densamente poblados", dijo Miller, profesor asistente de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería Brown de Rice. "nuestros órganos en realidad contienen redes vasculares independientes, como las vías respiratorias y los vasos sanguíneos del pulmón o los conductos biliares y los vasos sanguíneos en el hígado. Estas redes interpenetrantes están enredadas física y bioquímicamente, y la arquitectura en sí está íntimamente relacionada con la función del tejido.es la primera tecnología de bioimpresión que aborda el desafío de la multivascularización de manera directa e integral ".
Stevens, profesor asistente de bioingeniería en la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Washington, profesor asistente de patología en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington e investigador en el Instituto de Medicina de la UW para Células Madre y Medicina Regenerativa, dijo que la multivascularización es importante porque la forma y la función a menudoir de la mano.
"La ingeniería de tejidos ha luchado con esto durante una generación", dijo Stevens. "Con este trabajo ahora podemos preguntar mejor: 'Si podemos imprimir tejidos que se vean y ahora incluso respiren más como los tejidos sanos de nuestros cuerpos, ¿lo harán?¿también se comporta funcionalmente más como esos tejidos? 'Esta es una pregunta importante, porque qué tan bien funcionará un tejido bioimpreso afectará el éxito que tendrá como terapia ".
El objetivo de la bioimpresión de órganos sanos y funcionales es impulsado por la necesidad de trasplantes de órganos. Más de 100,000 personas están en listas de espera de trasplantes solo en los Estados Unidos, y aquellos que eventualmente reciben órganos de donantes aún enfrentan toda una vida de inmunosupresiónmedicamentos para prevenir el rechazo de órganos. La bioimpresión ha atraído un gran interés durante la última década porque teóricamente podría abordar ambos problemas al permitir que los médicos impriman órganos de reemplazo de las propias células del paciente. Un día podría desplegarse un suministro de órganos funcionales para tratar millones depacientes en todo el mundo.
"Visualizamos que la bioimpresión se convertirá en un componente importante de la medicina en las próximas dos décadas", dijo Miller.
"El hígado es especialmente interesante porque realiza 500 funciones alucinantes, probablemente solo superadas por el cerebro", dijo Stevens. "La complejidad del hígado significa que actualmente no hay una máquina o terapia que pueda reemplazar todas sus funciones cuando fallaLos órganos humanos bioimpresos podrían algún día suministrar esa terapia ".
Para abordar este desafío, el equipo creó una nueva tecnología de bioimpresión de código abierto denominada "aparato de estereolitografía para ingeniería de tejidos", o SLATE. El sistema utiliza la fabricación aditiva para hacer hidrogeles blandos capa por capa.
Las capas se imprimen a partir de una solución líquida de pre-hidrogel que se vuelve sólida cuando se expone a la luz azul. Un proyector de procesamiento de luz digital ilumina la luz desde abajo, mostrando cortes secuenciales 2D de la estructura a alta resolución, con tamaños de píxeles que van desde 10-50 micras. Con cada capa solidificada a su vez, un brazo elevado eleva el gel 3D en crecimiento lo suficiente como para exponer el líquido a la siguiente imagen del proyector. La idea clave de Miller y Bagrat Grigoryan, un estudiante graduado de Rice y coautor principal deEl estudio fue la adición de colorantes alimentarios que absorben la luz azul. Estos fotoabsorbentes limitan la solidificación a una capa muy fina. De esta manera, el sistema puede producir geles suaves, a base de agua, biocompatibles con una intrincada arquitectura interna en cuestión de minutos..
Las pruebas de la estructura que imita los pulmones mostraron que los tejidos eran lo suficientemente resistentes como para evitar estallar durante el flujo sanguíneo y la "respiración" pulsátil, una entrada y salida rítmica de aire que simulaba las presiones y frecuencias de la respiración humana. Las pruebas encontraron que la sangre rojaLas células pueden absorber oxígeno a medida que fluyen a través de una red de vasos sanguíneos que rodean el saco de aire "respiratorio". Este movimiento de oxígeno es similar al intercambio de gases que ocurre en los alvéolos alveolares de los pulmones.
Para diseñar la estructura de imitación pulmonar más complicada del estudio, que aparece en la portada de ciencia Miller colaboró con los coautores del estudio Jessica Rosenkrantz y Jesse Louis-Rosenberg, cofundadores del Sistema Nervioso.
"Cuando fundamos el Sistema Nervioso fue con el objetivo de adaptar algoritmos de la naturaleza a nuevas formas de diseñar productos", dijo Rosenkrantz. "Nunca imaginamos que tendríamos la oportunidad de recuperar eso y diseñar tejidos vivos".
En las pruebas de implantes terapéuticos para la enfermedad hepática, el equipo imprimió tejidos en 3D, los cargó con células hepáticas primarias y los implantó en ratones. Los tejidos tenían compartimentos separados para vasos sanguíneos y células hepáticas y se implantaron en ratones con daño hepático crónicoLas pruebas mostraron que las células del hígado sobrevivieron a la implantación.
Miller dijo que el nuevo sistema de bioimpresión también puede producir características intravasculares, como las válvulas bicúspides que permiten que el líquido fluya en una sola dirección. En los humanos, las válvulas intravasculares se encuentran en el corazón, las venas de las piernas y las redes complementarias como el sistema linfático que no tienenbomba para impulsar el flujo.
"Con la adición de la estructura multivascular e intravascular, estamos introduciendo un amplio conjunto de libertades de diseño para la ingeniería de tejidos vivos", dijo Miller. "Ahora tenemos la libertad de construir muchas de las intrincadas estructuras que se encuentran en el cuerpo".
Miller y Grigoryan están comercializando aspectos clave de la investigación a través de una nueva empresa con sede en Houston llamada Volumetric. La compañía, a la que Grigoryan se ha unido a tiempo completo, está diseñando y fabricando bioimpresoras y bioenlaces.
Miller, un antiguo defensor de la impresión 3D de código abierto, dijo que todos los datos fuente de los experimentos publicados ciencia el estudio está disponible gratuitamente. Además, todos los archivos imprimibles en 3D necesarios para construir el aparato de impresión de estereolitografía están disponibles, al igual que los archivos de diseño para imprimir cada uno de los hidrogeles utilizados en el estudio.
"Hacer que los archivos de diseño de hidrogel estén disponibles permitirá a otros explorar nuestros esfuerzos aquí, incluso si utilizan alguna tecnología de impresión 3D futura que no existe hoy en día", dijo Miller.
Miller dijo que su laboratorio ya está utilizando el nuevo diseño y técnicas de bioimpresión para explorar estructuras aún más complejas.
"Estamos solo al comienzo de nuestra exploración de las arquitecturas encontradas en el cuerpo humano", dijo. "Todavía tenemos mucho más que aprender".
Los coautores adicionales del estudio incluyen a Samantha Paulsen de Rice, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat y Anderson Ta; Daniel Corbett de UW, Chelsea Fortin y Fredrik Johansson; John Gounley y Amanda Randles de Duke; y Peter Galie de Rowan.
El trabajo fue apoyado por la Fundación Robert J. Kleberg, Jr. y Helen C. Kleberg, la Fundación John H. Tietze, la Fundación Nacional de Ciencias 1728239, 1450681 y 1250104, los Institutos Nacionales de Salud F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 y DP5OD019876 y los Consorcios de la Costa del Golfo.
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Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Rice . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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