El cultivo de órganos humanos funcionales fuera del cuerpo es un «santo grial» de la medicina de trasplantes de órganos que se ha buscado durante mucho tiempo y que sigue siendo difícil de alcanzar. Una nueva investigación del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada en la Biología y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard acerca esa búsqueda un paso más a su realización.
Un equipo de científicos ha creado un nuevo método para imprimir en 3D redes vasculares que consisten en vasos sanguíneos interconectados que poseen una «capa» distintiva de células musculares lisas y células endoteliales que rodean un «núcleo» hueco a través del cual puede fluir el fluido, incrustado en el interior de un tejido cardíaco humano. Esta arquitectura vascular imita de cerca la de los vasos sanguíneos naturales y representa un avance significativo hacia la posibilidad de fabricar órganos humanos implantables. El logro se publica en Materiales avanzados.
«En un trabajo anterior, desarrollamos un nuevo método de bioimpresión 3D, conocido como «escritura sacrificial en tejido funcional» (SWIFT), para crear patrones de canales huecos dentro de una matriz celular viva. Aquí, basándonos en este método, presentamos el SWIFT coaxial (co-SWIFT) que recapitula la arquitectura multicapa que se encuentra en los vasos sanguíneos nativos, lo que facilita la formación de un endotelio interconectado y lo hace más robusto para soportar la presión interna del flujo sanguíneo», dijo el primer autor Paul Stankey, un estudiante de posgrado en SEAS en el laboratorio de la coautora principal y miembro de la facultad de Wyss Core Jennifer Lewis, Sc.D.
La innovación clave desarrollada por el equipo fue una boquilla única con núcleo y carcasa con dos canales de fluido controlables de forma independiente para las «tintas» que forman los vasos impresos: una tinta de carcasa a base de colágeno y una tinta de núcleo a base de gelatina. La cámara central interior de la boquilla se extiende ligeramente más allá de la cámara de carcasa para que la boquilla pueda perforar por completo un vaso previamente impreso y crear redes de ramificación interconectadas para una oxigenación suficiente de los tejidos y órganos humanos. a través de Perfusión. El tamaño de los vasos se puede variar durante la impresión modificando la velocidad de impresión o los caudales de tinta.
Para confirmar que el nuevo método co-SWIFT funcionaba, el equipo primero imprimió sus vasos multicapa en una matriz de hidrogel granular transparente. A continuación, imprimieron los vasos en una matriz recientemente creada llamada uPOROS, compuesta por un material poroso a base de colágeno que replica la estructura densa y fibrosa del tejido muscular vivo. Pudieron imprimir con éxito redes vasculares ramificadas en ambas matrices libres de células. Después de imprimir estos vasos biomiméticos, se calentó la matriz, lo que provocó que el colágeno de la matriz y la tinta de la cubierta se reticularan, y que la tinta del núcleo de gelatina sacrificial se derritiera, lo que permitió su fácil eliminación y dio como resultado una vasculatura abierta y perfundible.
Pasando a materiales aún más relevantes desde el punto de vista biológico, el equipo repitió el proceso de impresión utilizando una tinta de concha que se infundió con células musculares lisas (SMC), que componen la capa externa de los vasos sanguíneos humanos. Después de derretir la tinta del núcleo de gelatina, perfundieron células endoteliales (EC), que forman la capa interna de los vasos sanguíneos humanos, en su vasculatura. Después de siete días de perfusión, tanto las SMC como las EC estaban vivas y funcionando como paredes de los vasos: hubo una disminución de tres veces en la permeabilidad de los vasos en comparación con aquellos sin EC.
Finalmente, estaban listos para probar su método dentro de tejido humano vivo. Construyeron cientos de miles de bloques de construcción de órganos cardíacos (OBB, por sus siglas en inglés): pequeñas esferas de células cardíacas humanas latentes, que se comprimen en una densa matriz celular. A continuación, utilizando co-SWIFT, imprimieron una red de vasos biomiméticos en el tejido cardíaco. Finalmente, eliminaron la tinta del núcleo sacrificial y sembraron la superficie interna de sus vasos cargados de células madre de la médula espinal con células endoteliales. a través de perfusión y evaluaron su desempeño.
Estos vasos biomiméticos impresos no solo mostraban la característica estructura de doble capa de los vasos sanguíneos humanos, sino que, después de cinco días de perfusión con un fluido que imitaba la sangre, los OBB cardíacos comenzaron a latir de manera sincronizada, lo que indica un tejido cardíaco sano y funcional. Los tejidos también respondieron a medicamentos cardíacos comunes: el isoproterenol hizo que latieran más rápido y la blebbistatina los detuvo. El equipo incluso imprimió en 3D un modelo de la vasculatura ramificada de la arteria coronaria izquierda de un paciente real en OBB, lo que demuestra su potencial para la medicina personalizada.
«Pudimos imprimir en 3D con éxito un modelo de la vasculatura de la arteria coronaria izquierda basado en datos de un paciente real, lo que demuestra la utilidad potencial de co-SWIFT para crear órganos humanos vascularizados específicos para el paciente», dijo Lewis, quien también es el Hansjörg Wyss Profesor de Ingeniería de Inspiración Biológica en los mares.
En trabajos futuros, el equipo de Lewis planea generar redes de capilares autoensamblados e integrarlas con sus redes de vasos sanguíneos impresos en 3D para replicar más completamente la estructura de los vasos sanguíneos humanos a microescala y mejorar la función de los tejidos cultivados en laboratorio.
«Decir que diseñar tejidos humanos vivos funcionales en el laboratorio es difícil es quedarse corto. Estoy orgulloso de la determinación y la creatividad que mostró este equipo al demostrar que, en efecto, podían construir mejores vasos sanguíneos dentro de tejidos cardíacos humanos vivos y latientes. Espero que sigan teniendo éxito en su misión de algún día implantar tejidos cultivados en laboratorio en pacientes», afirmó el director fundador de Wyss, el Dr. Donald Ingber, Ph.D. Ingber también es el Profesor de Biología Vascular Judah Folkman en HMS y el Boston Children's Hospital y Hansjörg Wyss Profesor de Ingeniería de Inspiración Biológica en los mares.
Entre los autores adicionales del artículo se incluyen Katharina Kroll, Alexander Ainscough, Daniel Reynolds, Alexander Elamine, Ben Fichtenkort y Sebastien Uzel. Este trabajo fue financiado por el Programa de Becas de la Facultad Vannevar Bush, patrocinado por la Oficina de Investigación Básica del Subsecretario de Defensa para Investigación e Ingeniería a través de la Subvención de la Oficina de Investigación Naval N00014-21-1-2958 y la Fundación Nacional de Ciencias a través de CELL-MET ERC (#EEC-1647837).
