Bioimpresion de Órganos

B I B L I O G R A F I A

1Soo L, y Han K, y Dongho C.( Mayo 2015), Cell

Sources, Liver Support Systems and Liver Tissue

Engineering: Alternatives to Liver Transplantation, Korea

,Korean Society for Stem Cell Research.

Taylor & Francis Group (24 Feb 2015),

Órganos biológicos 3D-impresa: potencial

médico y la oportunidad de patentes, Boston,

MA, USA, Harvard Medical School,

Department of Radiology.

Collins S.f,(2014 Dic), La Bioimpresion está

cambiando Medicina Regenerativa para

siempre, Austin, Texas, TeVido BioDevices

Jonathan Perez Librado

En el presente ensayo trata más que nada al tema de la

bioimpresion de órganos, debido a que este es un tema

de interés medico sino que también de interés para la

sociedad en general, debido a que los trasplantes

actualmente son infrecuentes debido a que

actualmente existe una escases de órganos para poder

realizar estos trasplantes, con lo cual esta técnica

permite a estos pacientes tener un trasplante.

Bioimpresion de Órganos

Introducción (Generalidades)

¿Qué es la Bioimpresion de Órganos?

Es la agregación de células vivas o cualquier otro material sobre un soporte o

base sobre la cual se van agregando capa a capa hasta llegar a tener una

estructura completamente funcional (3D). Todo esto se logra a partir de cualquier

material que se pueda imprimir en una sola capa, por ejemplo: cualquier polímero,

metal, cerámica u otro componente (células vivas). Actualmente están disponibles

numerosos métodos para la impresión de órganos 3D, incluyendo la

estereolitogradia, que utiliza la luz para realizar una sintetizacion selectiva por

láser. Todo esto ha llevado a la formación del bioprinting (es la combinación de la

impresión de órganos y la tecnología), que ofrece la posibilidad de realizar

impresiones de pequeños órganos en desarrollo que con el paso del tiempo se

convertirán en órganos totalmente funcionales y que además se pueden

trasplantar.

¿A quiénes se les puede realizar un trasplante con estos órganos?

Estos órganos se pueden trasplantar a cualquier persona que necesite un órgano

de difícil adquisición y que además cuente con los recursos necesarios para

realizar este tipo de procedimientos quirúrgicos y tecnológicos para poder realizar

el trasplante con éxito, esto debido a que la bioimpresion es una técnica resiente,

además si le agregamos que el proceso es costoso.

Aplicaciones de la Bioimpresion

Este tipo de bioimpresiones no solo se aplica a tratamientos médicos como

trasplantes, sino que también tiene aplicaciones como realizar otras estructuras

que son muy pequeñas con lo cual esta tecnología es la más apropiada para

poder realizar estos proyectos, debido a que estas bioimpresiones son muy

certeras gracias a que muchas dela impresoras que se utilizan son guiadas por

computadoras con lo cual son muy exactas por así decirlo.

Bioimpresion de Órganos

¿Cómo se realiza la bioimpresion?

Técnicas que se utilizan en el proceso

En todos los métodos, los elementos impresos son fijos a menudo utilizan la

temperatura para unir los materiales, pero no es el único método, también

podemos encontrar que unen los materiales por medio de procesos químicos,

mecánicos, ópticos o, por la reciente incorporación de impresoras térmicas de

extrusión de bajo costo, que utilizan filamentos de plástico de bajo costo, que han

acelerado el campo de crecimiento y con el bajo costo de producción han abierto

las puertas a personas que no cuentan con la economía necesaria para realizar

este tipo de procedimientos

Proceso mediante el cual se realiza la bioimpresion

El proceso comienza con el uso de las tintas para bioprinter (Bioimpresion), que

actualmente tienen como limite la imaginación del usuario, aunque presentan una

limitación y esa limitación son las impresoras debido a que las tintas ,muchas

veces no son compatibles.

Sin embargo las Tintas Emergentes de BP, o bioinks, incluyen combinaciones de

las células, agregados de células, péptidos, los factores de crecimiento,

hidrogeles, los componentes de andamios, y otros materiales. El procesamiento

de la bioinks (Bioimpresion) requiere un exhaustivo cuidado para asegurar que las

células y componentes de la tinta no sean eliminados o modificados desde el

momento en que se insertan en la impresora, y durante todo el proceso de

impresión.

¿Como se forma cada capa?

Las células se comienzan a funcionar e interactuar con su entorno en la impresión

en 3D al construir un complejo multidimensional "Viviente", estructura que puede

remodelarse a través del tiempo. Si se diseñan correctamente, esta interacción

debe proveer beneficios de investigación, beneficios clínicos y terapéuticos.

Además en la trayectoria clínica, es probable que el progreso a partir de tejidos

delgados y complejos multicelulares como vasos sanguíneos de soporte del tejido

/ órgano vascularizado aumente el potencial de construcciones de ingeniería en la

Bioimpresion de Órganos

formación de sustitutos de órganos del todo funcionales. Existen varios tipos de

células pueden utilizarse en el proceso de la BP (Bioimpresion) y las limitaciones

son generalmente relacionadas por el tamaño de la celda o agregado celular y la

morfología, así como su capacidad de ser transferida a través del proceso de

impresión en un estado saludable. Actualmente se realizan pruebas simples que

se realizan para proporcionar una visión en la capacidad de una célula para

sobrevivir a un proceso dado de la impresora en su totalidad, por ejemplo: la

temperatura. La Bioprinters (Bioimpresion) a base de inyección de tinta se

caracteriza por ofrecer alta resolución y alta velocidad, pero son limitados a los

tamaños de celda más pequeño por el tamaño de la boquilla, que puede ser 20

micras de diámetro o incluso menos. Las bioprinters Basados en Extrusión pueden

imprimir células más grandes y agregados de células a altas densidades celulares

debidas al tamaño del orificio más grande de la boquilla. Sin embargo, por lo

general el tener menor resolución requiere de tintas de mayor viscosidad. Los

Bioprinters basado en LIFT (láser de transferencia inducida hacia adelante) ofrecer

alta densidad celular a alta resolución pero a menudo se limita a un solo tipo de

tinta por impresión, con lo cual no podemos realizar distintas combinaciones para

tener un mejor resultado y por lo tanto nos limita la impresión. La elección ideal

final de bioprinter debe basarse en las características de la construcción del tejido.

Las células también deben ser consideradas y si pueden ser ideales para la

impresión de órganos y tejidos deseados. Su uso teóricamente reduciría el tiempo

de incubación del tejido antes del trasplante. Esto de ninguna manera excluye el

uso de las células madre pluripotenciales inducidas, las células madre

embrionarias, las células extraembrionarias y las células madre adultas en el

proceso de BP. Las combinaciones de BP y de células madre ofrecidas por la

tecnología, posibilitan imprimir pequeños órganos en desarrollo que más tarde

crecerán en órganos con pleno funcionamiento mientras utiliza el host como una

incubadora. El proceso de BP permite el uso de múltiples bioinks (biotintas) para

ser depositadas en lugares precisos, formando un mosaico 3D de las células, los

andamios, estructuras, y / o huecos.

Bioimpresion de Órganos

Impactos de la bioimpresion en la medicina regenerativa

El Futuro de la Bioimpresion

La Bioprinting está cambiando la Medicina Regenerativa de una gran manera dado

que ya puede variar el número de células y otros parámetros de la bioink (tinta)

en un esfuerzo para diseñar el funcionamiento óptimo. Esto ofrece la posibilidad

de evaluar rápidamente los efectos de las células con otras células, células de

tejido, y interacciones célula-sustrato. Al aumentar el número de bioinks utilizadas,

la complejidad de la estructura de la impresión puede ir aumentando.

Esto va desde Estructuras formadas por una sola célula depositada en un

andamio 3D, hasta las más complejas, tales como una estructura organizada de

células de múltiples tipos que forman una red vascular rodeada de tejido funcional.

El futuro de BP se hará más común a medida que la investigación demuestre los

nuevos usos y métodos de la misma son seguros.

La BP es ideal para la creación experimental de réplicas con tan pocas células de

cada uno, lo que permite la proyección de células en un medio ambiente y las

interacciones celulares. La integración de la estructura vascular en construcciones

de ingeniería tisular se ha mantenido difícil de alcanzar, lo que limita

fisiológicamente al órgano. Varios métodos están siendo actualmente investigado

en la utilización de técnicas de BP para formar canales vasculares. Estos

Métodos incluyen canales de sacrificio que más tarde pueden ser sembrados con

líneas de células endoteliales de los vasos sanguíneos.

Ejemplo: Bioimpresion de Hígado

Bioimpresion de Células Hepáticas (Hígado)

El hígado es el órgano más grande del cuerpo humano, con una arquitectura

compleja y muchas funciones. Su mayor funciones son homeostasis, la regulación

de la glucosa y el metabolismo lipídico, la desintoxicación, la producción de

proteínas de suero, y la secreción de la bilis. Los hepatocitos, juegan un papel

central en la función del hígado y tienen una gran capacidad de regeneración.

Cuando los hepatocitos están extensamente dañados, la función hepática

disminuye causando insuficiencia hepática. La insuficiencia hepática, en

Bioimpresion de Órganos

asociación con fallo múltiple de órganos, es una causa importante de morbilidad y

la mortalidad para las personas que el trasplante de hígado es considerado el

tratamiento final. Sin embargo, la escasez de donantes, junto con la operación

relativamente riesgosa y el alto costo reducen los beneficios de trasplante de

hígado. Las Enfermedades hepáticas representan el 2,5% del total de muertes en

el mundo, y su incidencia y la carga de salud que imponen son continuamente

aumentadas. Actualmente se necesitan con urgencia alternativas al trasplante de

hígado. El trasplante de células, sistemas de soporte hepático y tejido hepático

son alternativas posibles. El trasplante Celular Exitoso depende de encontrar

fuentes adecuadas de células capaces de proliferar y reconstituir el órgano

deseado, y estos van desde hepatocitos primarios que son las células preferidas,

pero proliferan mal in vitro, y que además necesitan microambientes para

promover su multiplicación lo limitante es que aún están intensa investigación.

Además, los dispositivos de hígados bioartificiales, productos de ingeniería de

tejidos creados por la siembra de células en andamios de órgano descelularizado,

así como bioprinting 3-D, también requieren una fuente eficaz y reproducible de

Hepatocitos. Recientemente, los hepatocitos diferenciados de las células madre

han demostrado una gran promesa en la terapia basada en células. Además de

ser alternativas a trasplante de órganos, la ingeniería de tejidos de hígado y

hepatocitos de células madre derivadas de estas pueden proporcionar nuevos

enfoques de la toxicología y drogas de cribado.

Fuentes de células

Los principales retos en la terapia de soporte hepático son la limitada

disponibilidad y eficacia de fuentes de células. Varios tipos de células están siendo

investigados como fuentes eficientes de hepatocitos para el sistema de soporte

hepático, el trasplante de células e Ingeniería de tejidos. Entre ellos se encuentran

los hepatocitos primarios humanos y hepatocitos porcinos, y líneas inmortalizadas

de adultos y las células madre embrionarias, hepatoblastos fetales, células ovales

y células de hepatocitos como derivados de células madre.

Bioimpresion de Órganos

Trasplante de Hígado

Trasplante de Hepatocitos Primarios en Humanos

Hepatocitos humanos primarios se utilizan como hepatocitos en el trasplante por

infusión directa de células aisladas, que tiene ventajas sobre el trasplante de

órganos en todo por ser menos invasiva, menos costosa, y más reproducible. De

está ya se han realizado numerosos estudios en animales y ensayos clínicos que

investigan el uso de este procedimiento en las enfermedades hepáticas

metabólicas, insuficiencia hepática aguda y enfermedades crónicas del hígado. El

trasplante es eficaz al menos para el tratamiento temporal de diversos trastornos

metabólicos del hígado. El número de hepatocitos que pueden ser trasplantados

de forma segura en el fracaso hepático agudo no ha sido suficiente para

restablecer la función hepática, además, alrededor del 40% de los pacientes con

insuficiencia hepática aguda se recuperar espontáneamente con solamente

manejo médico. Las investigaciones clínicas en la enfermedad hepática crónica

tienen resultados aún peores debido al hecho de que el daño de la arquitectura del

parénquima está lejos de ser ideal para el injerto de un número suficiente de

células. Actualmente, hay más estudios clínicos se llevan a cabo en esta zona, sin

embargo, un estudio realizado por Yovchev en un modelo de rata mostraron que

las células madre epiteliales trasplantadas y progenitoras podrían repoblar las

células del parénquima hepático perdidos que había sido reemplazado con el

tejido fibrótico, y tenía un efectos antifibiótico, lo que elevó la esperanza para los

pacientes con hígado cirrótico. Por otra parte Komori ha examinado la posibilidad

del trasplante de hepatocitos de otros órganos en lugar de en hígados que no son

adecuados para el injerto debido a una enfermedad crónica o insuficiencia aguda.

Por otra parte, hepatocitos primarios adultos tienen una capacidad mínima para

multiplicarse in vitro y rápidamente pierden su estructura y función después de

aislamiento. En modelos in vitro como sándwich y culturas esferoide se han

desarrollado para prevenir el deterioro funcional de los hepatocitos, pero los

hepatocitos adultos en cultivo todavía no son capaces de expresar todas las

funciones diferenciadas y a menudo carecen de muchas enzimas,

transportadores, y citocromo (enzimas P450). El injerto y largo plazo y la

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supervivencia de los hepatocitos también necesitan ser mejorados. Además, el

tratamiento inmunosupresor que acompaña el trasplante de hepatocitos aún no ha

sido optimizado. Por lo tanto, la búsqueda de fuentes alternativas de células tanto

de origen hepático y no hepático ha recibido mucha atención.

Hepatocitos porcinos

Hepatocitos porcinos se utilizan con mayor frecuencia en hígados bioartificial

(BAL) y dispositivos implantables como hígados de porcino son fácilmente

disponibles y sus hepatocitos son metabólicamente similares a las células de

hígado humano. Tales células xenogeneicas son eficaces para el trasplante de

células bajo condiciones específica libres de patógenos. Los Hepatocitos porcinos

trasplantados eran metabólicamente activos durante más de 80 días en una

Modelo de macaco que se sometió a una inmunosupresión efectiva. Además de

su disponibilidad, los hepatocitos porcinos parecen ser menos inmunogénicos al

trasplante del órgano entero, de modo que los xenotrasplantes es una solución

potencial para el trasplante de hepatocitos. Sin embargo, la transferencia de

enfermedades zoonóticas, incompatibilidad proteína-proteína entre especies y

posibles respuestas inmunológicas generadas durante el tratamiento siguen

siendo retos para el uso de hepatocitos xenogénicos. La fisiológica dispareja entre

los seres humanos y cerdos obliga a buscar fuentes de células alternativas.

Líneas celulares de hepatocitos humanos

Mientras que los hepatocitos porcinos tienen un gran potencial de expansión

ilimitada, estas líneas celulares también tienen actividades bajas para algunas

funciones esenciales de hepatocitos. Líneas celulares derivadas de tumores

humanos pueden ser utilizadas en LBA. Por ejemplo, el extracorpórea hepática

Dispositivo de Asistencia (ELAD) utiliza la línea celular C3A, que se desarrolló a

partir HepG2, una línea celular de hepatoma humano. Los estudios han

demostrado que las células C3A sintetizan niveles elevados de albúmina y alfa

fetoproteína y tiene alta capacidad de metabolizar el nitrógeno. Sin embargo, la

eliminación de amoníaco, el metabolismo de aminoácidos, el citocromo y

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funciones P450s y drogas que metabolizan permanecen bajas, principalmente

debido a la ausencia de complejos para la enzima ureasa y la reducción de las

mitocondrias. Un ensayo clínico piloto controlado de la línea celular C3A no ha

producido ninguna mejora en los parámetros de supervivencia y pruebas

bioquímicas. La posibilidad de transmitir productos o agentes tumorigénico y las

posibles complicaciones derivadas de esta son preocupaciones principales para

los investigadores.

Hepatocitos Fetales como trasplante

Hepatocitos fetales humanos tienen una capacidad de proliferación más alta de

hepatocitos adultos cuando se trasplantan, así como in vitro. Por tanto, han sido

inmortalizadas por transfección (SV40T, hTERT) para aumentar su disponibilidad.

Sin embargo, los hepatocitos fetales no son adecuados para ser empleados

en los regímenes de tratamiento clínicos en LBA, ya que tienen menor capacidad

para la eliminación de amoniaco (49%) y la producción de urea (1,1%) que los

hepatocitos primarios. En el Humano las células hepáticas fetales han producido

mejoras clínicas moderadas en la insuficiencia hepática aguda en algunos

estudios y el trasplante hepático fetal ha mostrado alguna mejoría sin embargo

tiene problemas con la disponibilidad de los hepatocitos fetales, su posible

tumorigenicidad y su naturaleza incompletamente diferenciada aún no se han

resuelto antes de que puedan ser utilizados clínicamente, y las preocupaciones

éticas también deben ser abordados.

Células ovales

En el campo de la regeneración del hígado, células ovales han sido sugeridas

como las células madre / progenitoras hepáticas que proliferan rápidamente

cuando los hepatocitos se agotan debido a la prolongada lesión, o cuando su

multiplicación se inhibe experimentalmente. Anatómicamente, estas células

residen en la zona llamada canales de Hering, que son ramas terminales de

árboles biliares, y producen una mezcla de las moléculas marcadoras de

hepatocitos adultos, y hepatoblastos fetales. En el modelo de la rata con lesión

hepática que implica 2-acetilaminofluoreno y hepatectomía parcial, las células

Bioimpresion de Órganos

ovaladas dieron lugar a hepatocitos y células de los conductos biliares y

expresaron hepatocitos en el espacio temporalmente específico como marcadores

de linaje. Como en hepatocitos adultos, la capacidad de repoblación de células

ovales es baja en el hígado cuando las células trasplantadas no tienen ninguna

ventaja selectiva, pero cuando se trasplantan en ratones FAH-deficientes, estas

células repoblar el hígado tan eficientemente como hepatocitos adultos. Ha habido

un amplio acuerdo que las células ovaladas son la progenitoras de una especie

de células hepática adultas (célula madre), aunque la naturaleza de esta población

de células madre no está claro. Sin embargo, un estudio reciente ha

proporcionado evidencia de que los hepatocitos no se derivan de las células

óvalas, pero sólo de los hepatocitos preexistentes. No se sabe si este cambio de

argumento es aplicable a la del hígado humano. El potencial de las células ovales

de auto-renovación, diferenciación binaria, y el reemplazo de tejido funcional sigue

siendo discutible a la luz de estos informes contradictorios.

Células madre pluripotentes embrionarias e inducidas

Las células madre embrionarias (células ES) tienen ventajas con respecto otras

fuentes de células debido a su capacidad de diferenciarse en las células de las

tres capas de células germinales, y su alta capacidad para la proliferación in vitro.

Hay varios informes de la diferenciación de células madre embrionarias en células

de hepatocitos como la se pueden utilizar en el hígado bioartificial (BAL), cuyo

papel principal es comprar tiempo para el trasplante de hígado y permitir que un

hígado enfermo tenga tiempo para recuperarse, sin las zoonosis potenciales

asociadas con el uso de hepatocitos porcinos. Sin embargo, la corriente de

protocolos no lo han logrado llevar a cabo a una gran escala, lo que limita una

mayor aplicación de los hepatocitos derivados de ES en LBA. Otras cuestiones

sobre el uso de células madre embrionarias para la célula basada en terapia son

las preocupaciones sobre inmunocompatibilidad y posible formación de teratomas

por las células no diferenciadas, así como las consideraciones éticas. A fin de

evitar los problemas éticos e inmunológicos que plantea el uso de células madre

embrionarias, se han desarrollado procedimientos para inducir Las células madre

pluripotentes (iPS) a desarrollarse a partir de fibroblastos o células de otras capas

Bioimpresion de Órganos

de células germinales embrionarias por manipulaciones genéticas para expresar

genes oncogénicos. Los esfuerzos para desarrollar Ips en hepatocitos mediante la

explotación de pequeñas moléculas o el estrés mecánico para inducir su

maduración en células hepatocitos han planteado la posibilidad de la maduración

en vivo. Sin embargo, a pesar de estos avances notables, el uso de vectores

virales, alteraciones del ciclo celular la regulación, y el riesgo de formación de

teratomas ha imposibilitado su uso en la terapia.

Opinión de los Expertos

Perspectivas de los trasplantes con estos órganos

El Avance de las técnicas quirúrgicas y tratamientos inmunosupresores después

de la operación, combinado con una mejor adecuación inmunológica entre

donante y receptor, tiene permitido que el trasplante de órganos se ha convertido

en una práctica corriente en la medicina moderna.

Para reducir sustancialmente la preocupación por la escasez crónica de trasplante

de órganos, los científicos y los médicos han buscado después de la demanda, la

producción y el cultivo de órganos biológicos reemplazables. Por desgracia, la

producción de órganos artificiales que tienen una funcionalidad completa, por no

hablar de su comercialización, no se ha realizado. Por lo tanto, la reproducción

bajo demanda de órganos humanos sin duda sería una desalentadora tarea,

teniendo en cuenta que nuestro conocimiento actual sobre el método de componer

células funcionales junto con el medio ambiente unicelular apropiado es todavía en

su infancia, es decir es ineficaz. En conclusión estas técnicas en un futuro

seguramente resultaran en un gran método para realizar trasplantes para órganos

que son escasos y que al mismo tiempo son muy necesarios para la vida del

paciente, sin embargo estas técnicas y tecnologías aún siguen en desarrollo por lo

cual es el principal obstáculo para poder llevar a cabo este método.

Bibliografía 1Soo L, y Han K, y Dongho C.( Mayo 2015), Cell Sources, Liver Support Systems and Liver Tissue Engineering:

Alternatives to Liver Transplantation, Korea ,Korean Society for Stem Cell Research.

Bioimpresion de Órganos

Taylor & Francis Group (24 Feb 2015), Órganos biológicos 3D-impresa: potencial médico y la

oportunidad de patentes, Boston, MA, USA, Harvard Medical School, Department of Radiology.

Collins S.f,(2014 Dic), La Bioimpresion está cambiando Medicina Regenerativa para siempre,

Austin, Texas, TeVido BioDevices

*Nota: En cuanto a los temas que agregarían no se encontró como tal información acerca de la historia de la bioimpresion, debido a que es

una técnica resiente y que incluso sigue aun en investigación, por lo que aun también no existe un tema relacionado con la legalidad de esta

técnica.