En las últimas décadas el desarrollo de la medicina experimentó un avance exponencial. Las mejoras tecnológicas en los campos de la bioingeniería posibilitan hoy el desarrollo de medicamentos innovadores para tratar enfermedades complejas, para las cuales no existe un tratamiento plenamente eficaz.
Junto a otros tipos de medicamentos innovadores es de destacar el enorme desarrollo que experimentan los tejidos artificiales: con base —en la mayor parte de los casos— en una combinación de células y biomateriales, pretenden reproducir de forma biomimética la estructura y función de los tejidos originales.
Para ello los investigadores diseñan complejos métodos con fundamento en tecnologías de impresión 3D, nanoestructuración y otras técnicas avanzadas de biofabricación.
A pesar de su complejidad, son numerosos los modelos de tejido artificial demuestran utilidad potencial como posibles sustitutos del tejido humano a nivel preclínico.
Investigación
En este contexto, un área de exploración de tejidos artificiales es el de los cartílagos. Y es que actualmente son poco eficaces los medicamentos y tratamientos disponibles para combatir el desgaste del cartílago, el amortiguador de las articulaciones, ocasionado por la ruptura de sus fibras de colágeno.
Cuando el estrés en la estructura ósea de la articulación se vuelve demasiado grande, se acompaña de inflamación y pequeñas fracturas óseas que pueden producir dolores intensos.
Según datos de la Organización Mundial de la Salud (OMS) alrededor de la mitad de la población sufre de artrosis u osteoartrosis a lo largo de su vida.
Por ello un equipo de Científicos de la Universidad Tecnológica de Viena, también conocida como TU Wien, desarrolló un nuevo método en impresión 3D para la creación de tejido artificial cartilaginoso de reemplazo en laboratorio. El nuevo enfoque no se limita a este tipo de tejido sino que también podría utilizarse para adaptar diferentes tipos de tejidos más grandes, como el tejido óseo.
Se trata de un hito en la industria médica, ya que el desarrollo de tejido cartilaginoso presentaba numerosas dificultades antes de la adopción de esta técnica de impresión 3D de precisión: anteriormente los intentos de cultivar tejido en el laboratorio mediante métodos alternativos solían tropezar con importantes complicaciones.
Técnica
Para evitar esto el equipo de investigación de la TU Wien trabaja con un nuevo enfoque: utiliza sistemas de impresión 3D de alta resolución con base en láser, especialmente desarrollados para crear pequeñas estructuras en forma de jaulas que parecen minipelotas de futbol y tienen un diámetro de solo un tercio de un milímetro. Estas sirven como estructura de soporte y forman bloques de construcción compactos que luego pueden ensamblarse en cualquier forma.
Las células madre se introducen primero en estas minijaulas con forma de balón de futbol, que rápidamente llenan por completo el pequeño volumen.
El profesor Aleksandr Ovsianikov, jefe del grupo de investigación de Impresión 3D y Biofabricación de la TU Wien, explica: “De esta manera podemos producir de forma fiable elementos tisulares en los que las células estén distribuidas uniformemente y la densidad celular sea muy alta. Esto no habría sido posible con enfoques anteriores”.
Así, el equipo utilizó células madre diferenciadas, es decir, que ya no pueden convertirse en otros tipos de tejido, pero están predeterminadas para formar un tipo específico de tejido, en este caso cartilaginoso.
Estas células son particularmente interesantes para aplicaciones médicas, pero la construcción de tejido más grande es un desafío cuando se trata de células de cartílago.
De hecho, en el tejido cartilaginoso las células forman una matriz extracelular muy pronunciada, una estructura en forma de malla entre las células que a menudo impide que diferentes esferoides celulares crezcan juntos de la manera deseada.
Si las esferas porosas impresas en 3D se colonizan con células de la manera planeada, las esferas se pueden disponer en cualquier forma deseada.
La pregunta crucial para los científicos es ahora: ¿las células de diferentes esferoides también se combinan para formar un tejido uniforme y homogéneo?
“Esto es exactamente lo que hemos podido demostrar por primera vez”, afirma Oliver Kopinski-Grünwald, coautor del estudio. “Bajo el microscopio se puede ver muy claramente: los esferoides vecinos crecen juntos, las células migran de un esferoide a otro y viceversa, se conectan perfectamente y dan como resultado una estructura cerrada sin cavidades, a diferencia de otros métodos que se han utilizado hasta ahora, en el que quedan interfaces visibles entre grupos de células vecinas”.
Los diminutos andamios impresos en 3D dan estabilidad mecánica a la estructura general mientras el tejido continúa madurando. Al cabo de unos meses las estructuras plásticas se degradan, simplemente desaparecen, dejando el tejido acabado con la forma deseada.
“Un primer objetivo sería producir pequeños trozos de tejido cartilaginoso hechos a medida que puedan insertarse en el material cartilaginoso existente después de una lesión”, afirma Kopinski-Grünwald.
En cualquier caso, añade, “ahora hemos podido demostrar que nuestro método para producir tejido cartilaginoso mediante microestructuras esféricas funciona en principio y tiene ventajas decisivas sobre otras tecnologías”.
Biomateriales
Los biomateriales desempeñan un papel integral en la medicina de hoy: restablecen la función y facilitan la curación de las personas después de una lesión o enfermedad. Pueden ser naturales o sintéticos y se usan en aplicaciones médicas para apoyar, mejorar o reemplazar tejidos dañados o una función biológica.
Su primer uso histórico se remonta a la antigüedad, cuando los egipcios utilizaban suturas hechas de tendones animales.
El campo moderno de los biomateriales combina medicina, biología, física y química, e influencias más recientes de la ingeniería de tejidos y la ciencia de los materiales. El campo ha crecido significativamente en la última década debido a los descubrimientos en ingeniería de tejidos, medicina regenerativa y más.
Los metales, la cerámica, el plástico, el vidrio e incluso las células y tejidos vivos pueden utilizarse para crear un biomaterial. Pueden ser rediseñados en piezas moldeadas o maquinadas, recubrimientos, fibras, películas, espumas y telas para usar en productos y dispositivos biomédicos. Estos pueden incluir válvulas cardiacas, reemplazos de articulaciones de cadera, implantes dentales o lentes de contacto. A menudo son biodegradables, y algunos son bioabsorbibles, lo que significa que se eliminan gradualmente del cuerpo después de cumplir una función.