La bioimpresión, es decir, la impresión 3D con materiales celulares, está a punto de convertirse en la próxima gran novedad de la medicina personalizada. En el laboratorio del grupo de Ingeniería y Regeneración del Cartílago del Departamento de Ciencias y Tecnología de la Salud Matti Kesti presenta los últimos resultados de su investigación: en un cuenco lleno de una solución nutritiva hay un cartílago blanquecino y turbio que va formando una nariz y una oreja diminuta. El estudiante de doctorado creó ambas a partir de una mezcla de biopolímeros y células vivas de cartílago, utilizando la bioimpresora del propio laboratorio, una impresora 3D para materiales biológicos. Esta extraordinaria impresora tiene el tamaño de una campana de laboratorio y, a primera vista, parece un dispositivo de extracción protegido. El corazón del sistema es una rueda con ocho jeringas, cada una de las cuales puede llenarse con una suspensión diferente. Desde un ordenador situado fuera de la impresora cerrada, se controlan los émbolos de las jeringas mediante datos digitales procedentes de un modelo tridimensional. La suspensión se expulsa entonces por la boquilla de la jeringa con la máxima precisión, y se crea una estructura aleatoria sobre una plataforma inferior que se desplaza rápidamente de un lado a otro, capa por capa. Este método permite crear estructuras como cartílago articular o cartílago nasal; la bioimpresora tarda solo 16 minutos en crear este último.
Kesti explica cómo este método podría revolucionar la cirugía reconstructiva en el futuro: un grave accidente de automóvil deja destrozada la nariz de un pasajero. Es posible reconstruirla como modelo 3D en el ordenador. Al mismo tiempo, se le realiza una biopsia al paciente y se extraen células de cartílago de su propio cuerpo, por ejemplo, de la rodilla, un dedo, la oreja o los fragmentos de la nariz destrozada. Las células se multiplican en el laboratorio y se mezclan con un biopolímero. A partir de esta suspensión, similar a la pasta de dientes, la bioimpresora crea un injerto de cartílago nasal que se implanta en el paciente durante la operación. En este proceso, el biopolímero solo se utiliza como molde; posteriormente, las propias células de cartílago del cuerpo lo descomponen. Al cabo de un par de meses, es imposible distinguir el injerto del cartílago nasal propio del cuerpo. Este procedimiento ofrece importantes ventajas frente a los implantes tradicionales, por ejemplo, los de silicona: el riesgo de que el cuerpo rechace el implante es mucho menor. Un factor especialmente crucial para los pacientes jóvenes es que el implante celular crece junto con el paciente, porque lo controla el mecanismo de crecimiento interno del paciente, como ocurre con otras partes del cuerpo.
Requisitos estrictos para la biotinta
Hay muchas razones por las que la impresión celular está empezando a abrirse camino en la medicina: «La impresión 3D existe desde hace casi 20 años. Que apenas ahora se esté descubriendo para fines quirúrgicos se debe, en particular, a la falta de biotintas», explica Marcy Zenobi-Wong, profesora y directora del grupo de investigación de Kesti. Todavía no existen cartuchos comerciales para impresoras celulares debido a los requisitos extremos que deben cumplir los materiales utilizados en los trasplantes. Todos los materiales empleados en procedimientos clínicos están sujetos a estrictas directrices internacionales y nacionales y deben someterse a años de pruebas antes de utilizarse en hospitales, un proceso que puede costar millones. Por ese motivo, Zenobi-Wong y su grupo de investigadores utilizan biopolímeros que ya conocen, dado su uso generalizado en los procedimientos hospitalarios habituales. Entre estos biopolímeros se encuentra el ácido algínico, que se extrae de las algas y es fácilmente tolerado por el cuerpo humano, y el sulfato de condroitina, una macromolécula producida por el cuerpo humano, responsable de la resistencia del tejido cartilaginoso.
Para preparar estos biopolímeros para el proceso de bioimpresión, se les añaden células humanas (o, para uso en laboratorio, células animales) y se procesan hasta crear un hidrogel compuesto por hasta un 90 por ciento de agua. Las propiedades fluidas de esta biotinta deben ser las adecuadas para que el gel no obstruya las cánulas de las jeringas, pero también debe ser lo bastante viscoso para que la estructura del objeto que se va a construir se mantenga. Si el gel fuera demasiado líquido, las capas se fundirían durante la impresión. También hay que tener en cuenta las propiedades de gelatinización, porque para que el gel se convierta en una estructura sólida que los médicos puedan utilizar, debe tener una forma fija. Esto se logra polimerizando el hidrogel, un proceso que se inicia mediante luz, temperatura, un cambio en el valor del pH o la adición de iones. «Aquí tenemos muy poco margen de maniobra», explica Zenobi-Wong, «porque debemos asegurarnos en todo momento de que las células no sufran daños durante el proceso de impresión». Por ello, dedica gran parte de su investigación a buscar biopolímeros adecuados y métodos de polimerización que no dañen las células.
La tercera dimensión como guía
Una de las primeras aplicaciones de los injertos de cartílago impresos podría ser el tratamiento de lesiones en las articulaciones de la rodilla y el tobillo. Ya se realizan injertos de cartílago en pacientes jóvenes con lesiones deportivas; para ello, las células de cartílago del propio paciente se cultivan en bandas de hidrogel en el laboratorio. Se selecciona una sección adecuada de esta banda y luego se cose en la zona lesionada. Aunque es un buen método, no es ideal, porque el crecimiento celular bidimensional en el laboratorio carece de información espacial clave para el funcionamiento futuro de la articulación del paciente. Por eso, las células forman tejido parecido a una cicatriz en lugar de masa cartilaginosa. Como las células y su estructura de soporte —la llamada matriz celular— se imprimen en el mismo paso con una bioimpresora, su función futura queda clara desde el principio. Esto permite que las células conserven sus características originales y produzcan nuevo cartílago a partir del cuerpo del paciente.
Los primeros injertos realizados con una bioimpresora se probarán en ovejas y cabras ya este año. Estas pruebas en animales grandes deben llevarse a cabo antes de realizar ensayos clínicos en personas, lo que a su vez abre el camino a su uso habitual en hospitales. «Sin embargo, que en el futuro veamos bioimpresoras en los hospitales es menos una cuestión técnica; depende más bien de que médicos, pacientes y aseguradoras acepten la tecnología», afirma Zenobi-Wong. Por ello, su grupo de investigadores ya colabora estrechamente con profesionales de la salud de la Clínica Schulthess.
¿Corazones salidos de la impresora?
Desde que se celebró el primer taller internacional sobre bioimpresión en 2004, este campo de investigación ha crecido de forma continua. Actualmente, más de 80 grupos de investigación trabajan en posibles aplicaciones en procedimientos clínicos, y los primeros proveedores comerciales de estructuras celulares «impresas» para ensayos clínicos ya han entrado en el mercado estadounidense, respaldados por una considerable cantidad de capital de riesgo. ¿Significa esto que pronto los corazones y los riñones seguirán a los primeros cartílagos impresos e implantados, como algunos pronostican? Zenobi-Wong no está tan segura: «Aunque ahora hay mucho entusiasmo en torno a la bioimpresión, nuestra investigación está muy lejos de ofrecer lo que ya se promete hoy». Producir cartílago es relativamente sencillo en comparación con los órganos corporales, que necesitan recibir sangre y grandes cantidades de oxígeno de inmediato. En el caso del corazón, los pulmones o los riñones, habría que imprimir cientos de capilares para irrigar el órgano, con un grado de precisión y utilizando materiales que probablemente no estarán al alcance durante mucho tiempo. A diferencia del cartílago, en esos órganos las distintas células deben comunicarse entre sí para desempeñar toda una serie de funciones diferentes. «Nuestra especialidad es el cartílago, probablemente el tejido corporal más fácil de bioimprimir», afirma Zenobi-Wong, «pero incluso hoy sabemos que imprimirlo dista mucho de ser fácil».
Este artículo se publica en colaboración con ETH Zurich. Su publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autor: el Sr. Samuel Schlaefli escribe para ETH News.
Imagen: Una figura es impresa por la impresora 3D F1 de Aurora. REUTERS/Pichi Chuang.
