Ante la escasez mundial de órganos adecuados para trasplantes en pacientes críticamente enfermos, los investigadores están considerando la impresión 3D de tejido vivo como una solución, pero es posible que deban entrar en órbita para hacerlo.
El médico y astronauta de la NASA (la agencia espacial estadounidense) Andrew Morgan es uno de los responsables de investigar esta tecnología.
Como médico de primera línea en el ejército de los Estados Unidos, ha tratado a jóvenes soldados cuyos cuerpos fueron destrozados y destrozados por explosiones. "Vi la pérdida de miembros y heridas devastadoras como resultado de las explosiones", recuerda.
Seguir el lento proceso de curación y recuperación en tiempo real llevó a Morgan a preguntarse si nuevos tejidos o incluso órganos completos podrían simplemente imprimirse para reemplazar las partes dañadas del cuerpo. Según él, "la posibilidad de trasplantar tejidos elaborados con las propias células del herido traería enormes beneficios".
Con esa pregunta en mente, Morgan llevó a cabo una serie de experimentos inusuales durante el año pasado, durante varios meses, en el espacio.
En abril de 2020, regresó de una estadía de 272 días en la Estación Espacial Internacional (ISS). Mientras estaba en órbita a 400 km sobre la superficie de la Tierra, Morgan creó tejido vivo, célula por célula, utilizando una impresora 3D y un material llamado biotint.
"No es como cambiar un cartucho de impresora en casa", dice Morgan, sobre el equipo utilizado. "Se coloca el cartucho, se deja que crezca el cultivo y luego se retira el recipiente de tejido para analizarlo".
Hasta ahora es simple. Pero hay una razón por la que Morgan y su compañera astronauta Christina Koch llevaron a cabo estos experimentos en la órbita de la Tierra.
"Cuando creas un cultivo de tejidos con una impresora 3D en la superficie, existe una tendencia a que el cultivo colapse en presencia de la gravedad", dice. “Los tejidos necesitan una especie de soporte [orgánico, temporal] para mantener todo en su lugar, especialmente en el caso de cavidades como las del corazón. Pero no se sufren estos efectos en ambientes de microgravedad y por eso estos experimentos son tan importantes".
El entorno de microgravedad de la ISS fue ideal para probar la Unidad de Biofabricación, lanzada en 2019 con una actualización programada para 2021. Desarrollado por las empresas estadounidenses Techshot y NScrypt, fue diseñado para imprimir células humanas para formar tejido en forma de órganos.
Inicialmente, Morgan lo usó para probar impresiones de tejido cardíaco con un grosor creciente, pero el equipo responsable de la tecnología espera mejorar el equipo para que pueda imprimir órganos humanos completos en el espacio, que se pueden usar en trasplantes.
La impresión de órganos humanos suena a ciencia ficción, pero no lo es. Varias empresas de biotecnología están trabajando con diferentes enfoques, cuyo objetivo es emplear las propias células del paciente para preparar tejido nuevo.
En la mayoría de los casos, reprograman células siguiendo un proceso ganador del Premio Nobel, desarrollado hace una década, para convertirlas en células madre, que en teoría son capaces de convertirse en cualquier parte de la anatomía humana.
Con estímulo y los nutrientes adecuados, se puede inducir a que se conviertan en el tipo de célula de elección. Y, al suspender las células madre en un hidrogel que se puede moldear como soporte para evitar que la estructura en crecimiento se colapse sobre sí misma, se puede imprimir el tipo de célula deseado, capa por capa, hasta que se forme tejido vivo funcional.
“Ya producimos tejidos que han sido trasplantados con éxito a animales, como los trasplantes de piel, por ejemplo”, explica Itedale Redwan, responsable científico de Cellink, la primera empresa en comercializar biotint. "Recientemente, hemos estado trabajando con la impresión láser para permitir la impresión en el nivel más bajo de capilares: los vasos sanguíneos y las venas. Será esencial poder imprimir a ese nivel, pero el gran problema será implantar este tejido. Inhumanos."
Redwan estima que podrían pasar de 10 a 15 años antes de que los tejidos y órganos completamente funcionales impresos de esta manera sean trasplantados a humanos. Los científicos ya han demostrado que es posible imprimir tejidos básicos e incluso mini órganos.
En 2018, un equipo de la Universidad de Newcastle, Reino Unido, imprimió la primera córnea humana, mientras que un grupo de la Universidad de Tel Aviv, Israel, produjo un corazón en miniatura impreso con tejido humano de un paciente cardíaco. Se cree que este corazón podría usarse para hacer colgajos cardíacos para reparar defectos cardíacos.
Posteriormente, los científicos de la Universidad Estatal de Michigan en Estados Unidos dieron un paso más. Pudieron imprimir un mini corazón humano, utilizando una estructura de células madre que imita el entorno de desarrollo fetal, lo que les permite crear todos los tipos de células y estructuras complejas necesarias para un corazón en funcionamiento.
Pero el corazón es una bomba relativamente simple, que consta de una serie de cámaras rodeadas de tejido muscular. Algunos investigadores ya han logrado avances en la construcción de estructuras de órganos y tejidos más complejas.
Un grupo del Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa en Winston-Salem, Carolina del Norte (Estados Unidos), integró las células nerviosas en los músculos impresos, un paso clave para restaurar el control y la función de los músculos en futuros trasplantes.
Pero construir órganos complejos a gran escala como el riñón y el hígado es un desafío mucho mayor. Estos órganos son mezclas de muchos tipos de células, injertadas con redes de vasos sanguíneos y nervios.
Jennifer Lewis, profesora de Bioingeniería de la Universidad de Harvard en Estados Unidos, que ha estado realizando experimentos con impresión de tejidos, nos recuerda los obstáculos que aún deben superarse.
Recrear la función completa de un órgano (la sincronicidad de la acción del corazón, por ejemplo, o la función de filtrado del riñón) no es una tarea fácil. Un paso importante será la reproducción del proceso de organogénesis, según el cual la arquitectura multicelular de los tejidos y órganos humanos se forma en el embrión para desarrollar diferentes funciones, según ella.
"Estamos encontrando, por ejemplo, que la función de los tejidos a menudo no es tan madura cuando se crea en el laboratorio en comparación con el tejido vivo", dice Lewis. "Esto puede ser fácil en la ciencia ficción, pero para nosotros es un sueño. Aun así, ya es posible ver los caminos para que esto se convierta en una realidad en las próximas dos décadas".
La empresa BioLife4D, que desarrolla y fabrica tecnología de bioimpresión, se centra en la impresión de componentes biológicos para su uso en la reparación del corazón humano, que es la base para la producción de corazones trasplantables totalmente impresos. Ella cree que existe un mercado multimillonario para los diversos componentes, como las válvulas cardíacas, que podrían imprimirse en el futuro.
"Pero en el caso de órganos como el hígado, solo tendrás algo (relevante) cuando imprimas todo el hígado", según el director ejecutivo de la empresa, Steve Morris. "Desde el punto de vista de la investigación científica, con la bioingeniería también se puede diseñar un corazón con un defecto específico para permitir la prueba de un tratamiento".
Itedale Redwan, de Cellink, señala que, a corto plazo, los órganos impresos permitirán un modelado más eficiente de enfermedades en el laboratorio y ayudarán en el desarrollo de fármacos. Esto, a su vez, debería ayudar a reducir la frecuencia de las pruebas con animales.
A mediano plazo, cuando se pueden imprimir órganos a gran escala, satisfacer la demanda puede ser un desafío. Actualmente, existe una gran escasez de donantes de órganos para atender a las personas que necesitan trasplantes.
"Hay, por ejemplo, alrededor de un millón de personas en todo el mundo esperando un trasplante de riñón", según Jennifer Lewis. La Organización Mundial de la Salud estima que cada año se realizan alrededor de 130.000 trasplantes de órganos, lo que cubre solo el 10% de la necesidad. Solo en los Estados Unidos, hay 107.000 pacientes en listas de espera para trasplantes.
"Ser capaz de proporcionar órganos para estas personas ya tendría un gran impacto", dice Lewis.
Los beneficiarios de recibir un trasplante de un donante también deben pasar el resto de sus vidas tomando medicamentos inmunosupresores para evitar que sus cuerpos rechacen estos órganos "externos". Pero si se puede imprimir un nuevo órgano utilizando sus propias células, el riesgo de rechazo debería reducirse considerablemente.
Teniendo en cuenta la necesidad y los beneficios potenciales, el largo camino requerido para hacer crecer órganos en el espacio parece gratificante. Pero el costo de imprimir en el espacio es alto.
La Unidad de Biofabricación a bordo de la ISS cuesta US $ 7 millones (aproximadamente R $ 40 millones) y aún existe el costo de poner las células y otras materias primas en órbita antes de devolver los órganos impresos de manera segura. Y la producción a gran escala también será difícil.
Estos costos impulsaron la investigación para descubrir si el entorno de baja gravedad que se encuentra en órbita se puede replicar aquí en la Tierra para producir órganos complejos y delicados. La empresa médica rusa 3D Bioprinting Solutions, por ejemplo, ha producido un sistema que utiliza un campo magnético para levitar los tejidos a medida que forman la estructura deseada.
Los científicos también necesitan descubrir cómo hacer que la vasculatura y las terminaciones nerviosas del órgano impreso sean funcionales. Pero mientras tanto, se espera que la Unidad de Biofabricación pueda recibir pedidos de clientes industriales e institucionales que buscan explorar su potencial de impresión de telas.
Algunos expertos, como Gene Boland, científico jefe de Techshot, imaginan que en algún momento, tal vez en la década de 2030 o 2040, se instalarán bioimpresoras en órbita terrestre baja, utilizando el entorno de microgravedad para imprimir tejidos humanos cada uno. especificaciones cada vez más avanzadas.
Y para muchos que intentan desarrollar esta revolución en la tecnología de trasplantes, la búsqueda es profundamente personal.
"Mi hija nació con un solo pulmón", dice Ken Church, director ejecutivo de NScrypt, la compañía que ayudó a desarrollar la bioimpresora utilizada por Andrew Morgan en la ISS. "Tiene 27 años y está bien ahora, pero todavía tiene un solo pulmón. Me hizo investigar la ingeniería de tejidos, cuando la bioimpresión no existía, y esa idea me fascinó".
NScrypt ahora está desarrollando la próxima generación de bioimpresoras: un biorreactor que, en lugar de utilizar el entorno de baja gravedad para prevenir la necrosis en el centro de los tejidos impresos, emplea otras técnicas como centrifugación, agitación o infusión de oxígeno a medida que crece el tejido.
"Si puedo crear un pulmón para mi hija mientras viva, seré muy feliz", dice Church.
Pero si bien es fácil entusiasmarse con la impresión de órganos específicos, también hay otras implicaciones más importantes que deben estudiarse. La posibilidad de imprimir órganos humanos puede, después de todo, tener un profundo impacto en la sociedad, que va más allá del consecuente aumento de la longevidad media de las personas.
Las enfermedades cardiovasculares son la principal causa de muerte para la mayoría de las personas en Occidente (se estima que una de cada tres muertes son causadas por ellas) y el reemplazo del corazón por uno más joven y saludable tendrá el potencial de aumentar la vida de las personas en décadas. Pero aparentemente no todo el mundo está contento con esta idea.
"Hemos recibido quejas y ha habido un correo electrónico que nos llama 'demonios encarnados'", dice Morris de BioLife4D. "Argumentan que no sería correcto imprimir órganos para prolongar la vida de las personas, dada la escasez de recursos que ya está causando mucho sufrimiento, y prolongar la vida solo aumentaría ese sufrimiento".
Hay otras cuestiones éticas que también deberán abordarse.
"¿Qué pasa si un padre pide que el corazón de su hijo de 12 años sea reemplazado por uno más grande para que bombee la sangre de manera más poderosa y eficiente y se convierta en la estrella del deporte en la escuela?", Sugiere Morris. "Si podemos imprimir un corazón con dos válvulas, ¿por qué no imprimir uno con dos válvulas más integradas?"
"Personalmente, aquí tengo dudas: si la evolución no nos dio un corazón con válvulas adicionales, probablemente sea porque no deberían estar allí. Pero si necesitaras reemplazar un órgano por otra razón, no tendría objeciones en reemplazarlo. con uno que se mejoró de esa manera ", dice.
Dado el alto costo de la impresión de órganos, particularmente si tiene lugar en la órbita de la Tierra, proporcionar corazones o pulmones mejorados de alguna manera podría ser una forma de atraer a personas dispuestas a pagar por estas técnicas.
"Este será un tema muy controvertido", dice Ravi Birla, ingeniero de tejidos de BioLife4D. "Si cambia todo sobre una persona, órgano por órgano, podemos argumentar que lo que queda no es el ser humano que nació, sino otra criatura".
Él dice que si bien el problema en este momento es el uso de órganos en la cirugía que salva vidas, inevitablemente surgirán comparaciones con la cirugía estética.
"La cuestión ahora es cómo trazar el límite entre los dos", dice Birla. "Es fácil ver cómo alguien podría considerar optar por órganos mejorados como algo similar al uso de drogas para mejorar el rendimiento en los deportes. La mayoría de la gente podría objetar, pero las drogas todavía se comercializan y consumen".
Pero quizás los usos más sorprendentes de la impresión de órganos no estén aquí en la Tierra después de todo. A medida que los humanos comienzan a aventurarse cada vez más en el espacio, primero regresando a la Luna y luego hacia Marte, la bioimpresión podría ser una herramienta esencial para sustentar la vida. A millones de kilómetros de la Tierra, habrá pocos donantes de órganos, pero también faltará algo más: la comida.
"Esta es la punta del iceberg de las posibilidades de impresión de órganos", según Gene Boland de Techshot. La compañía financió parte de la instalación de la bioimpresora en la ISS y supervisó algunos de los experimentos de operación remota, con la ayuda del astronauta Andrew Morgan. Recientemente firmó un contrato con la empresa aeroespacial Axiom Space para instalar la primera bioimpresora comercial en la ISS.
"Algún día, la bioimpresión también será importante para la exploración espacial, para imprimir células animales para alimentos o tejidos para emergencias médicas. Mientras tanto, estos experimentos en la ISS revelarán algunos de los secretos de la bioimpresión para que funcione primero aquí en la Tierra. . Este es el gran salto del momento ", concluye Boland.
Fuente: BBC Mundo