Dentro del esfuerzo por imprimir pulmones y darles vida con células madre

Cortesía de 3D Systems

El mes pasado tuve la oportunidad de sostener una réplica de la parte superior de una vía aérea humana: la tráquea más los dos primeros bronquios. Estaba hecho de colágeno, el cemento biológico que mantiene unidos nuestros cuerpos. Estaba resbaladizo y hueco, con la consistencia de la pasta poco cocida.

La estructura había surgido de una impresora 3D del tamaño de un refrigerador en Manchester, New Hampshire, en un puesto avanzado de United Therapeutics, una compañía que gana más de mil millones de dólares al año vendiendo medicamentos para tratar enfermedades pulmonares.

Un día, dice la compañía, planea usar una impresora como esta para fabricar pulmones humanos en cantidades ilimitadas y superar la grave escasez de órganos de donantes.

La bioimpresión de tejido no es una idea nueva. Las impresoras 3D pueden hacer piel humana, incluso retinas. Sin embargo, el método, hasta ahora, se ha limitado a tejidos que son muy pequeños o muy delgados y carecen de vasos sanguíneos.

En cambio, United está desarrollando una impresora que cree que podrá, dentro de unos años, fabricar un contorno sólido y gomoso de un pulmón con exquisito detalle, incluidas las 23 ramas descendentes de las vías respiratorias, los alvéolos de intercambio de gases y un delicado red de capilares.

Un pulmón hecho de colágeno no ayudará a nadie: es para un pulmón real lo que un pollo de goma es para una gallina real. Así que United también está desarrollando formas de impregnar la matriz con células humanas para que se adhieran y se entierren en ella, dándole vida.

Estamos tratando de construir pequeñas casas de palos para que vivan las células, dice Derek Morris, líder de proyecto en el grupo de fabricación de órganos de United.

empresario de órganos

El proyecto de impresión 3-D es el último de una serie de esfuerzos de ingeniería de alto nivel lanzados por la directora ejecutiva de United, Martine Rothblatt, una antigua empresaria aeroespacial (fue la directora ejecutiva fundadora de Sirius Satellite Radio) que cambió de carrera en la década de 1990 después de su hija desarrolló una rara enfermedad pulmonar.

Al crear United, Rothblatt aprovechó una droga abandonada que recogió por $25,000 en una compañía que la convirtió en la CEO mejor pagado en la industria biofarmacéutica el año pasado —cuando ella también puso un récord de velocidad en un helicóptero eléctrico. Rothblatt dice que espera que los drones eléctricos lleven algún día los órganos de su fábrica a donde sea que se necesiten.

United ya ha hecho algunas apuestas arriesgadas de órganos. Una de sus subsidiarias, Revivicor, suministra a los cirujanos corazones, riñones y pulmones de cerdos modificados genéticamente (hasta ahora se han utilizado en babuinos). Otro, Lung Bioengineering, restaura los pulmones de donantes humanos bombeándoles una solución tibia. Unas 250 personas ya han recibido pulmones que, de otro modo, se habrían designado como desechos médicos.

No espere órganos completamente fabricados pronto. United, en las proyecciones de su empresa, predice que no sucederá hasta dentro de 12 años. Rothblatt reconoce que la estructura impresa que vi es solo un comienzo. Son solo dos ramas y no hay células, dice ella.

Aun así, el esfuerzo de United para imprimir órganos completos, que comenzó el año pasado, puede ser el más grande de la industria. Contrató a una empresa de Carolina del Sur, 3D Systems, para construir la impresora y le está pagando a otra empresa, 3Scan, para cortar los pulmones y crear mapas detallados de su interior. Tiene anuncios de trabajo para roles como Matemático: Diseño de órganos humanos.

El grupo de fabricación de órganos de United está ubicado en el mismo complejo de antiguas fábricas textiles que BioFabUSA, una iniciativa de impresión de tejidos del Departamento de Defensa de $ 80 millones. Dean Kamen, el conocido inventor que dirige BioFabUSA, dice que las reuniones con Rothblatt fueron lo que lo llevó a presentar una solicitud al gobierno para albergar el instituto. Vi milagros con los que está jugando y la frustración del equipo que está usando para hacerlo, dice. Para Kamen, los biólogos se ven obstaculizados por lo que él llama tecnología de matraces y vasos de precipitados del siglo XIX.

Impresión 3d

La impresora de colágeno que utiliza 3D Systems ahora funciona según un método llamado estereolitografía. Un láser ultravioleta parpadea a través de una piscina poco profunda de colágeno dopado con moléculas fotosensibles. Dondequiera que permanezca el láser, el colágeno se cura y se solidifica. Gradualmente, el objeto que se está imprimiendo se baja y se agregan nuevas capas.

Directora ejecutiva de United, Martine Rothblatt Andre Chung | Wikimedia Commons

La impresora actualmente puede depositar colágeno a una resolución de alrededor de 20 micrómetros, según United. Sin embargo, imprimir los detalles anatómicos de un pulmón requerirá características de menos de un micrómetro de tamaño.

Cuando ves la complejidad del pulmón, lo que hace la naturaleza desde la concepción hasta el nacimiento, no hay forma de mecanizarlo o moldearlo. La impresión 3D es la única forma que tenemos de crear esa geometría, dice Pedro Mendoza, director de bioimpresión de 3DSystems.

Mendoza dice que 3D Systems planea importar técnicas de la industria de los semiconductores, como máscaras, espejos y láseres más potentes, para mejorar la resolución de la impresora. La velocidad también es un problema. La estructura que vi tardó 12 horas en imprimirse. Un andamio pulmonar completo y detallado tardaría un año en construirse con la misma impresora.

bioimpresión

Algunos tejidos bioimpresos están cerca de encontrar usos médicos. Un equipo en España ha estado imprimiendo piel que cree que podría usarse en pacientes quemados. Sin embargo, todos los pañuelos que se fabrican hoy en día son tan finos como el papel. Tienen que serlo, porque carecen de vasos sanguíneos. Más grande y un pañuelo moriría de adentro hacia afuera.

Si bien algunos investigadores han impreso prototipos de vasos sanguíneos vivos, estos esfuerzos siguen siendo incipientes. Hasta el momento, nadie ha reclamado un premio de 300.000 dólares ofrecido por la NASA al primer científico capaz de imprimir tejido vivo de un centímetro de espesor. Un par de pulmones humanos es mucho más sustancial, con un peso de alrededor de tres libras.

Algunas empresas dicen que aún es prematuro hablar de imprimir órganos completos. Todos pensamos que será posible en algún momento en el futuro. Donde diferimos es en cuánto tiempo tomará, dice Sharon Presnell, científica en jefe de Organovo, una compañía de California que ha estado imprimiendo láminas delgadas y elásticas de hígado. ¿Puede obtener algo de ese tamaño con una vasculatura y puede soportar presión fisiológica? La mayoría de nosotros tratamos de caminar antes de correr.

Agregar celdas

Sin embargo, no Unidos. Dice que el problema con otros esfuerzos es que utilizan métodos de extrusión, exprimiendo células y proteínas a través de agujas finas. Luis Álvarez, el bioingeniero que dirige el grupo de fabricación de órganos de United, compara las células de impresión con empujar globos de agua a través de una pajilla. Él dice: Su resolución de impresión está limitada por el tamaño de la celda.

En cambio, el plan de United es imprimir primero un andamio pulmonar y luego infundirlo con células humanas, un proceso llamado recelularización.

Existe evidencia temprana de que una matriz de colágeno puede volver a convertirse en un pulmón funcional. Este año, en un experimento parcialmente financiado por United, el cirujano experimental de la Universidad de Harvard, Harald Ott, informó que había bombeado miles de millones de células humanas (de cordones umbilicales y pulmones cortados en cubitos) en un pulmón de cerdo despojado de sus propias células. Cuando el equipo de Ott lo volvió a conectar a la circulación de un cerdo, el órgano resultante mostró una función rudimentaria, aunque el experimento duró solo una hora.

Obtiene sangre a través del sistema y obtiene intercambio de gases, dice Finn Hawkins, biólogo de células madre de la Universidad de Boston, que no está involucrado en el proyecto de United. Eso es notable. Pero es un largo camino hacia los órganos trasplantables.

Hawkins dice que los órganos de Ott carecían de tipos de células importantes, como los cilios ondulados que eliminan la flema. Es más, sigue sin estar claro cómo obtener células humanas en las cantidades necesarias para abastecer a una futura fábrica de órganos. No hay suficientes pulmones humanos de donantes fallecidos para satisfacer la demanda.

United dice que planea usar células madre para fabricar el tejido necesario en sus laboratorios, pero tampoco es una tarea fácil.

Creo que la bioimpresión puede ser la parte menos problemática, dice Hawkins. Tan pronto como mencione algo más grande que un ratón, diría que es difícil hacer esa cantidad de células.

nuevos organos

Si los órganos pudieran fabricarse en grandes cantidades, no solo resolvería la escasez de órganos. Eventualmente podría remodelar la vida humana. ¿Qué hay de obtener un nuevo corazón o pulmones a los 80?

Para llegar allí, United tendrá que lograr no uno, sino varios avances tecnológicos. Sin embargo, Álvarez dice que United anticipa que sus diversos proyectos tecnológicos (el andamio impreso en 3D, la técnica de recelularización y su esfuerzo por fabricar tejido pulmonar a partir de células madre) se cruzarán en algún momento en el futuro.

Para cuando lleguemos a imprimir la parte más fina del pulmón, dice, sabremos cómo recelularizarlo.

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