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¿Cuál cree que es la principal causa de muerte en Estados Unidos? Aquí hay una pista, no es cáncer.
Ese elogio oscuro, en cambio, se destina a las enfermedades cardíacas y los problemas cardiovasculares, alimentados por los refrescos y la obesidad. Más de 26 millones de personas padecen insuficiencia cardíaca en todo el mundo y 1 de cada 3 muertes es causada por problemas cardíacos.
El problema es que simplemente no hay suficientes corazones. Los órganos de trasplante generalmente se toman de donantes de víctimas de accidentes automovilísticos, pero todavía hay una lista de espera considerable que puede llevar años.
Recibir un corazón nuevo tampoco garantiza una vida plena: los receptores de órganos a menudo mueren dentro de los 10 años posteriores al trasplante, ya sea porque el cuerpo rechaza el corazón nuevo o porque los medicamentos contra el rechazo inhiben el sistema inmunológico, lo que aumenta el riesgo de enfermedades como el cáncer. .
- Si encuentra interesantes la bioimpresión 3D y los órganos impresos en 3D, consulte nuestra guía completa de órganos impresos en 3D .
Tabla de contenido
Corazones impresos en 3D: la solución
Aquí es donde la bioimpresión 3D puede ayudar. La capacidad de imprimir en 3D un corazón idéntico al suyo, y de sus propias células, elimina el riesgo de rechazo y la necesidad de tomar estos medicamentos.
Pero, ¿es esto realmente posible? ¿Podemos simplemente fabricar órganos humanos en funcionamiento a partir del aire? Este artículo implica una extensa investigación en el área y tratará de explicar esto con todo detalle, que comprende dos partes:
- Parte 1 : Investigación sobre la impresión 3D de corazones biológicos hechos de tejido humano que son réplicas exactas de corazones existentes.
- Parte 2: Investigación sobre la impresión 3D de corazones artificiales que reemplazarían corazones defectuosos y latirían artificialmente, hechos de silicona.
Ventajas de los corazones impresos en 3D
Cómo imprimir un corazón en 3D: una breve introducción
La impresión 3D solía estar limitada a unos pocos plásticos como PLA y ABS , pero ahora puede imprimir metal en 3D e incluso células vivas. Imprimir células vivas en tejidos de trabajo es la forma en que pretendemos crear corazones impresos en 3D.
Etapa 1: escanear el corazón : para crear una réplica exacta del corazón del paciente, es necesario conocer las dimensiones exactas del corazón del paciente. Esto se puede hacer mediante una resonancia magnética para crear un modelo de corazón digital impreso en 3D.
Etapa 2: Crear el corazón : se extraen células del paciente, como las células sanguíneas, clave para que el cuerpo no interprete el órgano como extraño y lo rechace, y se convierten en células madre y se infunden dentro de una tinta biológica para su bioimpresión en 3D.
Etapa 3: Trasplante de corazón : esto nunca se había hecho antes, pero una vez que se imprime un corazón impreso en 3D funcional, se puede trasplantar a un paciente vivo.
El siguiente proceso aún no funciona completamente y todavía es en parte teórico :
La forma más eficiente que conocemos actualmente para imprimir corazones en 3D es con un andamio en su lugar que define las áreas en las que se imprimirán la tinta biológica y las células del corazón. Una vez que se ha impreso la forma, este andamio mantiene las células donde están debería ser, lo que les permite ensamblar en tejido cardíaco. Milagrosamente, las células del corazón simplemente se unirán cuando estén cerca, ¡y eventualmente comenzarán a latir como lo hace un corazón real!
Cuando el corazón está lo suficientemente maduro para funcionar sin un andamio, se calienta y se derrite. Este corazón terminado se puede trasplantar al paciente sin posibilidad de rechazo y sin necesidad de medicamentos antirrechazo.
Empresas como BioLife4D y Cellink siguen esta filosofía y creen que el camino a seguir es crear corazones reales impresos en 3D a partir de tejido nativo. Actualmente podemos crear pequeños tejidos con las células de un paciente, y late.
Pero hay problemas a muy pequeña escala. Los capilares tienen solo una célula sanguínea de espesor y abundan dentro del cuerpo humano. Ninguna impresora 3D en el planeta puede imprimir con precisión en ningún lugar cerca de esa escala, todavía.
Parte 1: Corazones impresos en 3D hechos de células humanas reales
Los siguientes ejemplos son de empresas e instalaciones de investigación en instituciones como universidades, que han realizado descubrimientos clave que nos acercan a los corazones trasplantables impresos en 3D.
Organovo: la empresa que intenta imprimir corazones en 3D
Una empresa destacada en el espacio de corazones y órganos impresos en 3D es Organovo. Fundada en 2007 en San Diego, CA, Organovo diseña y crea tejidos humanos con bioimpresión 3D y tiene como objetivo crear tejidos humanos vivos que funcionen de manera idéntica a los tejidos nativos. La empresa ha sido pionera en muchas de las técnicas de bioimpresión conocidas en la actualidad.
El primer avance de Organovo se produjo en 2009 cuando crearon el primer vaso sanguíneo bioimpreso en 3D. Dado que los vasos sanguíneos son algunos de los componentes principales para la creación de órganos (y, por lo tanto, un trasplante de corazón impreso en 3D exitoso), este fue un gran logro.
Organovo pasó a desarrollar tejido hepático impreso en 3D, y se asoció con L’Oreal para desarrollar tejido cutáneo impreso en 3D en 2020. Sin embargo, no eran la única empresa que intentaba crear corazones y órganos impresos en 3D, como empresas como Cellink, Biolife4D, EnvisionTEC y más construyen bioimpresoras 3D o investigan formas de imprimir órganos.
Mini corazón impreso en 3D de la Universidad de Tel Aviv
En la Escuela de Biología Celular Molecular y Biotecnología de la Universidad de Tel Aviv en abril de 2020, un equipo imprimió en 3D un pequeño corazón utilizando tejido humano, incluidos los vasos sanguíneos en funcionamiento. El corazón en miniatura impreso en 3D no bombea ni funciona todavía, pero se contrae como lo hace un corazón. Tal Dvir, el científico principal del proyecto, dice que es la primera vez que se imprime un corazón completo con células, vasos sanguíneos, ventrículos y cámaras.
Es muy pequeño, del tamaño del corazón de un roedor grande, pero es un avance clave hacia un corazón impreso en 3D trasplantable de tamaño completo. El corazón se creó utilizando bioenlaces creados al tomar una biopsia de tejidos omentales de un paciente humano, separando los componentes celulares y no celulares y reprogramando las células para que se conviertan en células madre y luego en células cardíacas o endoteliales.
El plan ahora es escalar a un corazón humano, que el equipo no cree que requiera ninguna tecnología diferente a la que ya tienen. Sin embargo, necesitan lograr que los corazones funcionen y laten como un corazón funcional antes de poder comenzar a trasplantar estos corazones a los pacientes.
- Lea más sobre el proyecto aquí .
BioLife4D
BioLife4D tiene un plan de juego para llegar a una etapa en la que los corazones impresos en 3D se conviertan en una realidad. La creencia es que las compañías farmacéuticas usarán estos corazones imprimibles a pedido para probar nuevos medicamentos y sus efectos. Una vez que se haya completado esta etapa preliminar, BioLife4D tiene la intención de pasar a la fabricación de corazones de animales pequeños. Luego, gravitarán hacia animales grandes, antes de dar el salto eventual a corazones humanos reales impresos en 3D.
Su primer gran avance en corazones impresos en 3D fue la impresión de un parche de tejido cardíaco humano en 2020 capaz de contraerse como lo hace un corazón. Aunque solo sea un parche de tejido, esto ya es suficiente para cirugías importantes en las que la implantación de tiras de tejido cardíaco en los corazones de pacientes con insuficiencia cardíaca aguda puede restaurar partes de este corazón dañado.
En septiembre de 2020, BioLife4D cumplió su promesa de producir un mini corazón impreso en 3D, replicando muchas de las características de un corazón humano. Creen que con esta versión en miniatura creada, es solo cuestión de tiempo antes de que puedan escalar a un corazón funcional de tamaño humano que pueda ser trasplantado a personas.
SWIFT: una nueva forma de imprimir corazones en 3D
En el Harvard Lewis Lab, SWIFT (escritura sacrificial en tejido funcional) promete cambiar por completo la forma en que usamos la bioimpresión 3D para salvar vidas. El proceso implica tomar células humanas de pacientes y transformarlas a través de células madre en células cardíacas. Estas células se empaquetan juntas y las estructuras vasculares impresas en 3D luego se imprimen en tinta de gelatina para crear una red de canales que imita la estructura de las redes vasculares humanas de la vida real.
Luego, la tinta de gelatina se calienta fuera de la mezcla, dejando solo las réplicas de los canales vasculares dentro del tejido. Luego, estas partes se pueden vincular con las células endoteliales (las células que recubren los vasos sanguíneos) para imitar estos vasos sanguíneos y ayudar a suministrar oxígeno.
Lo más emocionante es que este descubrimiento no se limita solo a corazones impresos en 3D. También se pueden crear otros órganos con estructuras similares, y las células madre son tan versátiles que el sistema no necesitaría modificarse demasiado para otras funciones.
El laboratorio logró crear una tira de tejido cardíaco un poco más alto que un centímetro y logró latir como un corazón vivo durante 7 días. Esto muestra un progreso real hacia la creación de corazones impresos en 3D más grandes y funcionales.
Sin embargo, hay otra escuela de pensamiento. Si un objeto extraño puede desempeñar el mismo papel que un corazón humano, ¿realmente necesitamos un corazón humano? La impresión 3D también puede ayudar aquí.
- Lea más sobre el proyecto aquí .
Parte 2: Corazones artificiales impresos en 3D
Somos mejores en la fabricación de objetos a partir de materiales como plásticos y metales que a partir de tejidos vivos; nuestras ciudades y casas son prueba de ello. Según esta lógica, debería ser más sencillo para nosotros construir corazones artificiales que puedan bombear sangre alrededor de nuestro cuerpo en caso de que nuestro corazón falle.
El trabajo del corazón no parece tan difícil; es solo bombear sangre. Esto no debería ser difícil de hacer artificialmente, ¿verdad? Podemos construir rascacielos y autos de carrera, ¿seguramente podemos construir una bomba glorificada?
Pero lamentablemente no, no es fácil. Los investigadores de ETH Zurich descubrieron esto en julio de 2020.
ETH Zurich: Corazón de silicona impreso en 3D
Investigadores del Laboratorio de Materiales Funcionales dentro de ETH Zurich desarrollaron un corazón de silicona el año pasado que late casi como un corazón humano. Ha habido intentos previos de crear corazones artificiales impresos en 3D que funcionen, pero este es el primer corazón artificial completamente blando que bombea con aire presurizado.
Además, el mecanismo de bombeo imita un corazón real y no requiere ensamblaje. Se imprimió en 3D como una gran estructura ensamblada e incluye un ventrículo derecho e izquierdo. Solo las partes de entrada y salida deben adjuntarse después de la impresión, donde la sangre se bombea hacia adentro y hacia afuera. También es del mismo tamaño que un corazón humano, por lo que si está perfectamente podría ser trasplantado a humanos.
Este corazón extraordinario fue desarrollado por el estudiante de doctorado Nicholas Cohrs, con un apellido inquietantemente similar a la palabra francesa para corazón, coeur , y fue dirigido por el profesor Wendelin Stark de Functional Materials en ETH. El corazón fue hecho de silicona usando Lost Wax Casting , que se usa a menudo en los sectores de fabricación de moldes y joyería impresa en 3D . Con un peso de 390 gramos, es bastante similar al peso de un corazón real (310 gramos), aunque este artilugio blanco nublado parece muy extraño.
3000 latidos al cielo
Cuando se sometió a prueba, el corazón de silicona de ETH Zurich duró unos miles de latidos antes de que el material ya no pudiera soportar la tensión. Dependiendo de su frecuencia cardíaca, esto equivale a entre 30 y 45 minutos de funcionamiento humano. Por lo tanto, parece que todavía nos queda mucho camino por recorrer antes de que sea posible un corazón artificial.
No debemos subestimar lo diestros que son nuestros corazones. Pueden funcionar durante cien años bajo la presión que nuestras mejores alternativas no pueden hacerlo durante una hora. La evolución es maravillosa, al igual que el músculo cardíaco. Sin embargo, esto significa que estamos lejos de un implante de corazón impreso en 3D.
Dos años después, en 2020, el mismo equipo diseñó válvulas cardíacas impresas en 3D para reemplazar las válvulas dañadas en los pacientes. A diferencia de las válvulas cardíacas artificiales anteriores, estas impresiones 3D se forman a partir de resonancias magnéticas para adaptarse perfectamente al paciente, una ventaja clave sobre las válvulas trasplantables actuales.
ETH ha demostrado que se ha avanzado mucho, por lo que tenemos todas las razones para ser positivos. Sin embargo, también debemos sentirnos humildes por la fuerza y el poder de nuestros órganos. Son templos y debemos tratarlos en consecuencia.
Conclusión: faltan varias décadas para los corazones impresos en 3D
Los corazones impresos en 3D ofrecen una alternativa interesante a los sistemas actuales de donación de órganos. Con los vehículos autónomos que prometen reducir las muertes por accidentes de tráfico a una fracción de los niveles actuales, se prevé que los órganos de donantes disminuyan significativamente. Necesitamos una forma alternativa, y menos centrada en la desaparición, de extraer órganos, y la bioimpresión 3D podría ser lo que nos salve.
Es demasiado pronto para decir qué tan factible es esto, ya que los órganos completamente desarrollados aún están lejos de la realidad. Aunque tampoco lo descarte como ciencia ficción, la impresión 3D es una tecnología exponencial y propensa a grandes descubrimientos. El futuro siempre es apasionante y tendremos que ver qué nos presenta.
Una estimación conservadora para el trabajo de corazones impresos en 3D es de 30 a 50 años. Todo esto podría cambiar si cambian los niveles de inversión o si se produce un salto masivo y repentino en el progreso. Sin embargo, es útil que el corazón sea uno de los órganos más simples del cuerpo, ya que no cumple otra función que la de bombear, bombear y bombear un poco más.
