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Los científicos de 3D Systems imprimieron una estructura que imita las vías respiratorias principales que conducen a un pulmón.

Biomedicina

Así es la fábrica que intenta imprimir pulmones funcionales en 3D

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Aunque parezca un macarrón a medio cocer, esta pieza es el primer paso hacia un pulmón humano artificial apto para trasplante. La famosa emprendedora biotecnológicoa Martine Rothblatt lidera esta iniciativa que podría convertirse en una fábrica sin límites de órganos humanos 

  • por Antonio Regalado | traducido por Mariana Díaz
  • 03 Julio, 2018

El mes pasado tuve la oportunidad de sujetar una réplica de la parte superior de una vía aérea humana, se trataba de una versión artificial de una tráquea y los dos primeros bronquios. La pieza estaba hecha de colágeno, el cemento biológico que mantiene unidos nuestros cuerpos. Era resbaladiza y hueca, y su consistencia se parecía a la de la pasta a medio cocer.

La estructura procede de una impresora 3D del tamaño de una nevera de United Therapeutics en Manchester (EE. UU.). La empresa genera ingresos de más de 1.000 millones de euros al año con sus ventas de medicamentos contra varias dolencias pulmonares. La compañía afirma que planea fabricar pulmones humanos en "cantidades ilimitadas" y superar la grave escasez de órganos de donantes con impresoras de este tipo.

La bioimpresión de tejidos orgánicos no es una idea nueva; las impresoras 3D ya permiten fabricar piel humana e incluso retinas. Pero la técnica estaba limitada a tejidos muy pequeños o muy delgados y sin vasos sanguíneos (ver Investigadores españoles logran imprimir piel en 3D, el mayor órgano del cuerpo).

Pero United cree que, dentro de unos años, su impresora podrá fabricar el contorno gomoso y sólido de un pulmón, con un nivel de detalle increíble. La pieza incluirá las 23 ramas descendentes de las vías respiratorias, los alvéolos para el intercambio de gases y una delicada red de capilares.

Pero un pulmón hecho de colágeno no ayudará a nadie. Sería como cruzar un pollo de goma con una gallina real. Por eso, United también está desarrollando formas de impregnar la matriz de colágeno con células humanas para que se adhieran en ella, dándole vida. El director del proyecto del grupo de fabricación de órganos de United, Derek Morris, afirma: "Estamos intentando construir pequeñas casas de palitos para que las células vivan dentro de ellas".

Vídeo: Un vídeo a cámara rápida muestra el proceso de impresión de una tráquea y las primeras ramas bronquiales de un pulmón. La estructura está hecha de colágeno, el mismo material conectivo en nuestros cuerpos. Crédito: Grupo de fabricación de órganos.

Emprendedora de órganos

Este proyecto de bioimpresión 3D es el último de una serie de esfuerzos de ingeniería de alto nivel lanzados por la CEO de United, Martine Rothblatt. Rothblatt empezó su trayectoria como emprendedora aeroespacial (fue la fundadora y CEO de Sirius Satellite Radio), pero en la década de 1990 cambió de especialidad después de que su hija desarrollara una rara enfermedad pulmonar.

Al lanzar United, Rothblatt adquirió un fármaco abandonado por unos 21.000 euros y lo transformó en una compañía que la convirtió en la CEO mejor pagada en la industria biofarmacéutica el año pasado. En 2017 también estableció un récord de velocidad con su helicóptero eléctrico. Rothblatt espera que algún día los drones eléctricos transporten los órganos de su fábrica hacia donde sean necesarios.

United ya ha hecho algunas apuestas de riesgo en órganos. Revivicor, una de sus subsidiarias, ofrece a los cirujanos corazones, riñones y pulmones de cerdos modificados genéticamente, que hasta ahora se han utilizado en mandriles(ver Un babuino sobrevive dos años y medio con un corazón de cerdo modificado genéticamente). Lung Bioengineering, otra de sus subsidiarias, restaura pulmones de donantes humanos mediante el bombeo de una solución templada. A día de hoy, alrededor de 250 personas han recibido pulmones que de otro modo habrían sido desechados.

Pero fabricar un órgano desde cero es más complejo. United predice que no será capaz de lograrlo hasta dentro de 12 años. Rothblatt reconoce que la estructura impresa que vi es solo un comienzo: "Son solo dos ramas y no hay células".

De todas formas, el esfuerzo de United por imprimir órganos completos, que comenzó el año pasado, puede ser el más ambicioso del sector. Contrató a 3D Systems, una compañía de Carolina del Sur (EE. UU.), para construir la impresora, y ha contratado a 3Scan para que haga secciones de los pulmones para crear mapas detallados de su interior. En la página web de United aparecen ofertas de empleo para como "diseñador matemático de órganos humanos".

El departamento de fabricación de órganos de United comparte espacio con BioFabUSA, una iniciativa de impresión de tejidos del Departamento de Defensa de EE.UU. dotada con unos 68 millones de euros. El conocido inventor líder de BioFabUSA, Dean Kamen, afirma que las reuniones con Rothblatt lo motivaron para hacer una petición al Gobierno del país para que acogiera la iniciativa de su homóloga. Kamen afirma: "Vi los milagros con los que trabaja y las limitaciones de los equipos que está usando para hacerlo". En su opinión, los biólogos están frenados por lo que él llama "tecnología del siglo XIX" de frascos y vasos de precipitados.

Impresión 3D

La impresora de colágeno de 3D Systems utiliza un método llamado estereolitografía. Un láser ultravioleta parpadea a través de un charco poco profundo de colágeno al que se le han introducido con moléculas fotosensibles. En los puntos en los que el láser apunta durante más tiempo, el colágeno se cura y se vuelve sólido. Poco a poco, el objeto que se está imprimiendo va descendiendo y se le añaden nuevas capas por encima.

United afirma que su impresora puede depositar colágeno a una resolución de alrededor de 20 micrómetros. Pero para imprimir los detalles anatómicos de un pulmón real será necesario imprimir características más pequeñas que un micrómetro. "El pulmón es muy complejo, no hay forma de mecanizar o modelar el proceso natural que se lleva a cabo desde la concepción hasta el nacimiento. La impresión 3D es la única forma que tenemos para crear esa geometría", explica el director de bioimpresión en 3D Systems, Pedro Mendoza.

El CEO de United, Martine Rothblatt

Foto: La CEO de United, Martine Rothblatt. Crédito: Andre Chung | Wikimedia Comons.

Mendoza señala que 3D Systems planea importar técnicas de la industria de los semiconductores, como máscaras, espejos y láseres más potentes, para mejorar la resolución de la impresora. La velocidad también es un problema. La estructura que vi tardó 12 horas en imprimirse. Para construir un andamio pulmonar completo y detallado con la misma impresora haría falta un año entero.

El reto de la bioimpresión

Algunos tejidos bioimpresos están a punto de empezar a aplicarse a nivel médico. Un equipo en España ha impreso tejido de piel que podría usarse en pacientes con quemaduras. Sin embargo, todos los tejidos fabricados hasta la fecha son demasiado delgados; esto tiene sentido porque carecen de vasos sanguíneos. Si el tejido fuera un poco más grueso, moriría de adentro hacia afuera.

Aunque algunos investigadores han logrado imprimir prototipos de vasos sanguíneos vivos, sus trabajos están en etapas muy tempranas. Hasta el momento, nadie ha reclamado el premio valorado en unos 257.000 euros que ofrece la NASA para el primer científico capaz de imprimir tejido vivo de un centímetro de grosor. Un par de pulmones humanos son bastante más grandes y pesan casi un kilo.

Algunas compañías señalan que todavía es pronto para hablar de impresión de órganos completos. La directora científica de Organovo, Sharon Presnell, una empresa que ha estado imprimiendo láminas finas y elásticas de hígado, confirma: "Todos estamos de acuerdo en que esto será posible en algún momento en el futuro, pero no en cuándo. ¿Se puede obtener algo de ese tamaño con una vasculatura capaz de soportar la presión fisiológica? Tenemos que aprender a caminar antes de correr".

Añadir células para revivir

Pero United quiere correr ya. La empresa dice que el problema de otros proyectos es que usan métodos de extrusión, que exprimen células y proteínas a través de agujas finas. El bioingeniero que encabeza el grupo de fabricación de órganos de United, Luis Alvarez, compara las células de impresión con "empujar globos de agua a través de una pajita", y señala: "La resolución de la impresión está limitada por el tamaño de la célula". El plan de United consiste en imprimir primero un andamio pulmonar y luego infundirlo con células humanas, un proceso llamado recelularización.

Existen pruebas de que una matriz de colágeno se puede reconvertir en un pulmón funcional. Este año, en un experimento financiado parcialmente por United, el cirujano de la Universidad de Harvard (EE. UU.) Harald Ott informó que bombeó miles de millones de células humanas (desde cordones umbilicales y trozos de pulmón) al pulmón de un cerdo despojado de sus propias células. Cuando el equipo de Ott volvió a conectar el órgano al sistema circulatorio de un cerdo, el órgano resultante mostró una función rudimentaria, aunque el experimento duró solo una hora.

"A través del sistema obtiene sangre e intercambio de gases. Esto es algo notable, pero aún falta mucho para lograr órganos trasplantables", señala el biólogo de células madre de la Universidad de Boston (EE. UU.) Finn Hawkins, que no está involucrado en el proyecto de United.

Hawkins afirma que los órganos de Ott carecían de algunos de los tipos celulares más importantes, como los cilios ondulados que eliminan las flemas. Además, aún no se sabe con exactitud cómo obtener las cantidades de células humanas necesarias para abastecer una futura fábrica de órganos. No hay suficientes pulmones humanos de donantes fallecidos para satisfacer la demanda.

United planea usar células madre para fabricar el tejido necesario en sus laboratorios, pero esto tampoco será fácil. Hawkins detalla: "Creo que la bioimpresión puede ser la parte menos problemática. Lo difícil es producir una cantidad de células mucho mayor de las que necesitaría un ratón".

Órganos nuevos para todos

Si los órganos pudieran fabricarse en grandes cantidades, no solo se resolvería la escasez de órganos. Con el tiempo, también sería posible remodelar la vida humana. ¿Se imagina poder obtener un nuevo corazón o un nuevo par de pulmones a los 80 años?

Para llegar allí, United tendrá que alcanzar no una, sino varias lunas tecnológicas. Pero Álvarez señala que la empresa está segura de que sus diversos proyectos tecnológicos (el andamiaje impreso en 3D, la técnica de recelularización y su esfuerzo para fabricar tejido pulmonar a partir de células madre) se cruzarán en algún momento en el futuro. Y concluye: "Cuando llegue el momento de imprimir la mejor parte del pulmón ya sabremos cómo recelularizarlo".

Biomedicina

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