Plataforma híbrida de bioimpresión crea redes vasculares a escala capilar

Más de 100.000 personas en Estados Unidos esperan trasplantes de órganos, y cada 10 minutos se añade un nuevo candidato. Incluso cuando la cirugía tiene éxito, los receptores se enfrentan a inmunosupresión de por vida, riesgo de infección y la posibilidad de rechazo del injerto. Durante décadas, los científicos han buscado abordar estos desafíos mediante la bioimpresión de tejidos y órganos a partir de las propias células de los pacientes.

Uno de los mayores obstáculos para producir órganos cultivados en laboratorio es recrear las intrincadas redes vasculares que se encuentran en todo el cuerpo, en particular los diminutos capilares. Estos microvasos transportan oxígeno y nutrientes a las células de cada órgano, lo que los hace fundamentales para el desarrollo de tejido bioingenierizado funcional. Para superar este obstáculo, los investigadores han desarrollado un enfoque híbrido de bioimpresión capaz de producir redes vasculares con capilares de menos de 10 micrómetros de diámetro.

Investigadores de la Universidad de Notre Dame combinaron la bioimpresión por extrusión con la impresión por chorro de aerosol para crear arquitecturas vasculares jerárquicas. El enfoque forma una matriz blanda que imita el tejido, mientras traza simultáneamente plantillas sacrificables que definen la geometría de los vasos, lo que permite redes estables unidimensionales, bidimensionales y tridimensionales. El trabajo apareció recientemente en la portada de Nature Chemical Engineering.

Primero, la matriz se deposita mediante impresión por extrusión para crear un andamiaje similar a un gel. Dentro de cada capa impresa, la impresión por chorro de aerosol coloca hilos delgados de gelatina que sirven como plantillas removibles. Tras la fabricación, el constructo se sumerge en agua tibia para licuar la gelatina, dejando microcanales dispuestos con precisión dentro de la matriz. La focalización aerodinámica mediante un flujo envolvente permite un control dinámico de los diámetros de los canales, que van desde cientos de micrómetros hasta solo varios micrómetros.

Debido a que pequeños cambios en la tinta y el flujo de gas pueden alterar las dimensiones de los canales, los investigadores incorporaron un marco de aprendizaje automático para identificar de forma autónoma los parámetros de impresión óptimos. Esto redujo la optimización por ensayo y error y aceleró la producción de geometrías específicas. Luego se sembraron células endoteliales en los canales seleccionados, que formaron rápidamente revestimientos de una sola célula. Las estructuras resultantes reprodujeron un comportamiento similar al de una barrera, semejante al de los capilares humanos, sin fugas.

El proyecto, realizado con colaboradores de la Facultad de Medicina de Harvard y el Hospital Brigham and Women’s, demuestra una resolución a escala capilar sin comprometer la integridad estructural. Entre los posibles usos a corto plazo se incluyen plataformas biomiméticas de órgano en un chip para pruebas de seguridad y eficacia de fármacos. El uso de células específicas del paciente podría permitir evaluar respuestas personalizadas antes del tratamiento. El equipo ha obtenido nueva financiación de los Institutos Nacionales de la Salud para construir una bioimpresora híbrida más potente y avanzar en la fabricación de órganos cultivados en laboratorio.

“Hemos alcanzado un gran avance en el campo de la bioimpresión. Lograr una resolución a escala capilar en bioimpresión es un paso importante hacia la ingeniería de tejidos plenamente funcionales y órganos completos”, dijo Yanliang Zhang, titular de la Cátedra de Materiales y Fabricación Avanzados en el Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de la Universidad de Notre Dame.

“Hay muchísimas personas esperando un trasplante de órgano, y la capacidad de imprimir órganos en el laboratorio tiene el potencial de transformar vidas al ayudar a los seres humanos a vivir más tiempo y con mejor salud. No solo estamos desarrollando una mejor tecnología, sino iluminando un nuevo futuro para el trasplante de órganos y la salud humana”, dijo Zhang.

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Universidad de Notre Dame