El profesor de nanoingeniería Shaochen Chen imprime en 3D una red biomimética de vasos sanguíneos. Crédito:Erik Jepsen / UC San Diego Publications
Los nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego han impreso en 3D un Red funcional de vasos sanguíneos que podría allanar el camino hacia órganos artificiales y terapias regenerativas.
La nueva investigación, dirigido por el profesor de nanoingeniería Shaochen Chen, aborda uno de los mayores desafíos en la ingeniería de tejidos:crear tejidos y órganos reales con vasculatura funcional:redes de vasos sanguíneos que pueden transportar sangre, nutrientes, desechos y otros materiales biológicos, y hágalo de manera segura cuando se implanten dentro del cuerpo.
Investigadores de otros laboratorios han utilizado diferentes tecnologías de impresión 3D para crear vasos sanguíneos artificiales. Pero las tecnologías existentes son lentas, costosos y principalmente producen estructuras simples, como un solo vaso sanguíneo:un tubo, básicamente. Estos vasos sanguíneos tampoco son capaces de integrarse con el propio sistema vascular del cuerpo.
"Casi todos los tejidos y órganos necesitan vasos sanguíneos para sobrevivir y funcionar correctamente. Este es un gran cuello de botella para realizar trasplantes de órganos, que tienen una gran demanda pero escasean, "dijo Chen, quien lidera los Nanobiomateriales, Bioimpresión, y Laboratorio de Ingeniería de Tejidos en UC San Diego. "Los órganos de bioimpresión 3D pueden ayudar a cerrar esta brecha, y nuestro laboratorio ha dado un gran paso hacia ese objetivo ".
El laboratorio de Chen ha impreso en 3D una red de vasculatura que puede integrarse de forma segura con la propia red del cuerpo para hacer circular la sangre. Estos vasos sanguíneos se ramifican en muchas series de vasos más pequeños, similar a las estructuras de los vasos sanguíneos que se encuentran en el cuerpo. El trabajo fue publicado en Biomateriales .
Un modelo digital de una red de vasos sanguíneos. Crédito:Erik Jepsen / UC San Diego Publications
El equipo de Chen desarrolló una innovadora tecnología de bioimpresión, utilizando sus propias impresoras 3D caseras, para producir rápidamente intrincadas microestructuras en 3D que imitan los sofisticados diseños y funciones de los tejidos biológicos. El laboratorio de Chen ha utilizado esta tecnología en el pasado para crear tejido hepático y peces microscópicos que pueden nadar en el cuerpo para detectar y eliminar toxinas.
Los investigadores primero crean un modelo 3D de la estructura biológica en una computadora. Luego, la computadora transfiere instantáneas 2D del modelo a millones de espejos de tamaño microscópico, que están controlados digitalmente para proyectar patrones de luz ultravioleta en forma de instantáneas. Los patrones de UV se iluminan sobre una solución que contiene células vivas y polímeros sensibles a la luz que se solidifican al exponerse a la luz UV. La estructura se imprime rápidamente una capa a la vez, de manera continua, creando un andamio de polímero sólido en 3D que encapsula células vivas que crecerán y se convertirán en tejido biológico.
"Podemos imprimir directamente estructuras de microvasculatura detalladas en una resolución extremadamente alta. Otras tecnologías de impresión 3D producen el equivalente a estructuras 'pixeladas' en comparación y generalmente requieren materiales de sacrificio y pasos adicionales para crear los vasos, "dijo Wei Zhu, becaria postdoctoral en el laboratorio de Chen e investigadora principal del proyecto.
Y todo este proceso toma solo unos segundos:una gran mejora con respecto a los métodos de bioimpresión de la competencia, que normalmente toma horas solo para imprimir estructuras simples. El proceso también utiliza materiales económicos y biocompatibles.
El equipo de Chen utilizó imágenes médicas para crear un patrón digital de una red de vasos sanguíneos que se encuentra en el cuerpo. Usando su tecnología, imprimieron una estructura que contiene células endoteliales, que son células que forman el revestimiento interno de los vasos sanguíneos.
Una estructura de vaso sanguíneo impresa en 3D microscópica. Crédito:Erik Jepsen / UC San Diego Publications
Toda la estructura encaja en una pequeña superficie de 4 mm x 5 mm, 600 micrómetros de espesor (tan grueso como una pila que contiene 12 hebras de cabello humano).
Los investigadores cultivaron varias estructuras in vitro durante un día, luego injertó los tejidos resultantes en heridas cutáneas de ratones. Después de dos semanas, los investigadores examinaron los implantes y descubrieron que habían crecido con éxito y se habían fusionado con la red de vasos sanguíneos del anfitrión, permitiendo que la sangre circule normalmente.
Chen señaló que los vasos sanguíneos implantados aún no son capaces de realizar otras funciones, como el transporte de nutrientes y desechos. "Todavía tenemos mucho trabajo por hacer para mejorar estos materiales. Este es un paso prometedor hacia el futuro de la regeneración y reparación de tejidos". " él dijo.
Avanzando Chen y su equipo están trabajando en la construcción de tejidos específicos para pacientes utilizando células madre pluripotentes inducidas por humanos. lo que evitaría que los trasplantes sean atacados por el sistema inmunológico de un paciente. Y dado que estas células se derivan de las células de la piel de un paciente, los investigadores no necesitarán extraer ninguna célula del interior del cuerpo para construir tejido nuevo. El objetivo final del equipo es trasladar su trabajo a ensayos clínicos. "Pasarán al menos varios años antes de que alcancemos ese objetivo, "Dijo Chen.
