La Bioimpresión 3D De SWIFT Abre El Camino Hacia órganos Humanos Cultivados Artificialmente [Video]

Tejidos creados con y sin SWIFT

Los tejidos creados sin canales impresos con SWIFT muestran muerte celular (rojo) en sus núcleos después de 12 horas de cultivo (izquierda), mientras que los tejidos con canales (derecha) tienen células sanas. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard

La técnica de escritura con tinta de sacrificio permite la impresión 3D de bloques de construcción de órganos humanos grandes y vascularizados.

Veinte personas mueren todos los días esperando un trasplante de órgano en los Estados Unidos, y aunque ahora se realizan más de 30,000 trasplantes al año, hay más de 113,000 pacientes actualmente en listas de espera de órganos. Los órganos humanos cultivados artificialmente son vistos por muchos como el “santo grial” para resolver esta escasez de órganos, y los avances en la impresión 3D han llevado a un auge en el uso de esa técnica para construir construcciones de tejido vivo en forma de órganos humanos. Sin embargo, todos los tejidos humanos impresos en 3D hasta la fecha carecen de la densidad celular y las funciones a nivel de órganos necesarias para su uso en la reparación y el reemplazo de órganos.

Ahora, una nueva técnica llamada SWIFT (escritura de sacrificio en tejido funcional) creada por investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada de Harvard y la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS), supera ese gran obstáculo al imprimir canales vasculares en 3D en matrices vivas compuestas de bloques de construcción de órganos derivados de células madre (OBB), que producen tejidos viables específicos de órganos con alta densidad y función celular. La investigación se informa en Science Advances .

“Este es un paradigma completamente nuevo para la fabricación de tejidos”, dijo el co-primer autor Mark Skylar-Scott, Ph.D., investigador asociado en el Instituto Wyss. “En lugar de intentar imprimir en 3D el valor de las células de un órgano completo, SWIFT se enfoca en imprimir solo los vasos necesarios para soportar una construcción de tejido vivo que contiene grandes cantidades de OBB, que en última instancia pueden usarse terapéuticamente para reparar y reemplazar órganos humanos con laboratorio -versiones cultivadas que contienen las propias células de los pacientes “.

Cuerpos embrioides vivos rodean un canal vascular hueco

Los cuerpos embrioides vivos rodean un canal vascular hueco impreso con el método SWIFT. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard

SWIFT implica un proceso de dos pasos que comienza con la formación de cientos de miles de agregados derivados de células madre en una matriz viva densa de OBB que contiene aproximadamente 200 millones de células por mililitro. A continuación, se incrusta en la matriz una red vascular a través de la cual se pueden suministrar oxígeno y otros nutrientes a las células escribiendo y eliminando una tinta de sacrificio. “La formación de una matriz densa a partir de estos OBB mata dos pájaros de un tiro: no solo logra una alta densidad celular similar a la de los órganos humanos, sino que la viscosidad de la matriz también permite la impresión de una red penetrante de canales perfundibles dentro de ella para imitar la vasos sanguíneos que sostienen los órganos humanos ”, dijo el co-primer autor Sébastien Uzel, Ph.D., un investigador asociado en el Instituto Wyss y SEAS.

Los agregados celulares utilizados en el método SWIFT se derivan de células madre pluripotentes inducidas por adultos, que se mezclan con una solución de matriz extracelular (ECM) adaptada para formar una matriz viva que se compacta mediante centrifugación. A temperaturas frías (0-4 ° C), la matriz densa tiene la consistencia de la mayonesa, lo suficientemente suave para manipular sin dañar las células, pero lo suficientemente gruesa para mantener su forma, lo que la convierte en el medio perfecto para la impresión 3D de sacrificio. En esta técnica, una boquilla delgada se mueve a través de esta matriz depositando una hebra de “tinta” de gelatina que empuja las células fuera del camino sin dañarlas.

Cuando la matriz fría se calienta a 37 ° C, se endurece para volverse más sólida (como una tortilla que se cocina) mientras que la tinta de gelatina se derrite y se puede lavar, dejando una red de canales incrustados dentro de la construcción de tejido que se puede perfundir. con medios oxigenados para nutrir las células. Los investigadores pudieron variar el diámetro de los canales de 400 micrómetros a 1 milímetro, y los conectaron sin problemas para formar redes vasculares ramificadas dentro de los tejidos.

Los tejidos específicos de órganos que se imprimieron con canales vasculares incrustados utilizando SWIFT y perfundidos de esta manera permanecieron viables, mientras que los tejidos que crecieron sin estos canales experimentaron muerte celular en sus núcleos en 12 horas. Para ver si los tejidos mostraban funciones específicas de órganos, el equipo imprimió, evacuó y perfundió una arquitectura de canales de ramificación en una matriz que consta de células derivadas del corazón y medios fluidos a través de los canales durante más de una semana. Durante ese tiempo, los OBB cardíacos se fusionaron para formar un tejido cardíaco más sólido cuyas contracciones se volvieron más sincrónicas y más de 20 veces más fuertes, imitando las características clave de un corazón humano.

Tejidos humanos impresos en 3D SWIFT

Una red ramificada de canales de “tinta” roja a base de gelatina se imprime en 3D en una construcción de tejido cardíaco vivo compuesta por millones de células (amarillas) utilizando una boquilla delgada para imitar la vasculatura de los órganos. Crédito: Instituto Wyss de la Universidad de Harvard

“Nuestro método de biofabricación SWIFT es muy eficaz para crear tejidos específicos de órganos a escala de OBB que van desde agregados de células primarias hasta organoides derivados de células madre”, dijo la autora correspondiente Jennifer Lewis, Sc.D., miembro principal de la facultad en el Instituto Wyss, así como el Profesor Hansjörg Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica en SEAS. “Al integrar los avances recientes de los investigadores de células madre con los métodos de bioimpresión desarrollados por mi laboratorio, creemos que SWIFT avanzará enormemente en el campo de la ingeniería de órganos en todo el mundo”.

Se están realizando colaboraciones con los miembros de la facultad del Instituto Wyss Chris Chen, MD, Ph.D. en la Universidad de Boston y Sangeeta Bhatia, MD, Ph.D., en MIT para implantar estos tejidos en modelos animales y explorar su integración con el anfitrión, como parte de la Iniciativa de Ingeniería de Órganos 3D codirigida por Lewis y Chris Chen.

“La capacidad de soportar tejidos humanos vivos con canales vasculares es un gran paso hacia el objetivo de crear órganos humanos funcionales fuera del cuerpo”, dijo el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es  Judah Folkman. Profesor de Biología Vascular  en HMS, el Programa de Biología Vascular del Boston Children’s Hospital y Profesor de Bioingeniería en SEAS. “Seguimos impresionados por los logros en el laboratorio de Jennifer, incluida esta investigación, que en última instancia tiene el potencial de mejorar drásticamente tanto la ingeniería de órganos como la esperanza de vida de los pacientes cuyos propios órganos están fallando”.

Otros autores del artículo incluyen a John Ahrens, un estudiante de posgrado actual en el Instituto Wyss de la Universidad de Harvard y Harvard SEAS, así como los ex miembros del Instituto Wyss y Harvard SEAS Lucy Nam, Ryan Truby, Ph.D. y Sarita Damaraju. Esta investigación fue apoyada por la Beca de la Facultad Vannevar Bush de la Oficina de Investigación Naval, los Institutos Nacionales de Salud, GETTYLAB y el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard.

Referencia: “Biofabricación de tejidos específicos de órganos con alta densidad celular y canales vasculares integrados” por Mark A. Skylar-Scott, Sebastien GM Uzel, Lucy L. Nam, John H. Ahrens, Ryan L. Truby, Sarita Damaraju y Jennifer A . Lewis, 6 de septiembre de 2019, Science Advances .
DOI: 10.1126 / sciadv.aaw2459

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