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Como la escasez de equipos de protección personal persiste durante la pandemia de coronavirus, la impresión en 3D ha ayudado a aliviar algunas de las lagunas. Pero Anthony Atala, el director del Instituto Wake Forest de Medicina Regenerativa, y su equipo están utilizando el proceso de una manera más innovadora: creando pequeñas réplicas de órganos humanos, algunos tan pequeños como una cabeza de alfiler, para probar drogas para combatir Covid-19 .
El equipo está construyendo pulmones y colonias en miniatura, dos órganos particularmente afectados por el coronavirus, y luego los envía durante una noche por mensajería para su análisis en un laboratorio de bioseguridad en la Universidad George Mason en Fairfax, Virginia. Si bien inicialmente crearon algunos de los llamados organoides por Con la ayuda de una pipeta, comienzan a imprimirlos a escala para la investigación a medida que la pandemia continúa aumentando.
En los últimos años, el instituto del Dr. Atala ya había impreso estos pequeños grupos de células para evaluar la eficacia de los medicamentos contra bacterias y enfermedades infecciosas como el virus del Zika, “pero nunca pensamos que estaríamos considerando esto para una pandemia”. . Su equipo tiene la capacidad de imprimir “miles por hora”, dijo desde su laboratorio en Winston-Salem, Carolina del Norte.
“Incluso para nosotros a veces parece ciencia ficción”, dijo Akhilesh Gaharwar, quien dirige un laboratorio interdisciplinario en el departamento de ingeniería biomédica de la Universidad Texas A&M que se centra en la bioimpresión y otros enfoques de la medicina regenerativa.
La importancia de la bioimpresión para el análisis farmacéutico es primordial ahora, no solo para los posibles tratamientos de Covid-19, sino también para probar tratamientos para el cáncer y otras enfermedades. El Dr. Atala dice que los organoides permiten a los investigadores analizar el impacto de un medicamento en un órgano “sin el ruido” del metabolismo de un individuo.
Las pruebas en piel bioimpresa u otros órganos en miniatura también pueden determinar más fácilmente qué medicamentos que funcionan en animales como las ratas podrían no funcionar bien en las personas.
“Los Los modelos tridimensionales pueden eludir las pruebas en animales y fortalecer el camino desde el laboratorio hasta la clínica ”, dijo el Dr. Gaharwar. Eso tiene importancia tanto para los bienes de consumo como para los productos farmacéuticos; desde 2013, la Unión Europea, por ejemplo, tiene prohibió a las compañías de cosméticos probar productos en animales.
La base para un órgano impreso se conoce como andamio, hecho de materiales biodegradables. Para proporcionar nutrición al organoide, se incluyen canales microscópicos de solo 50 micras de diámetro, aproximadamente la mitad del tamaño de un cabello humano, en el andamio. Una vez completado, el “bioenlace”, una combinación líquida de células e hidrogel que se convierte en gelatina, se imprime en el andamio “como un pastel de capas”, dijo el Dr. Atala.
Otra parte importante del proceso es construir vasos sanguíneos como parte de la impresión. Pankaj Karande, profesor asistente de ingeniería química y biológica en el Instituto Politécnico Rensselaer, ha estado experimentando con la impresión de la piel desde 2014 y recientemente tuvo éxito en este paso.
Utilizando una célula conocida como fibroblastos, que ayuda con el crecimiento, junto con el colágeno, como andamio, los investigadores del instituto imprimieron la epidermis y la dermis, las dos primeras capas de piel. (La hipodermis es la tercera capa). “Resulta que a las células de la piel no les importa que se corten”, dijo el Dr. Karande, y finalmente podrían sobrevivir.
Pero su trabajo golpeó un obstáculo: sin incorporar vasos sanguíneos, la piel finalmente se desprende. Al colaborar con Jordan Pober y W. Mark Saltzman de la Universidad de Yale, finalmente lograron construir las tres capas de piel humana, así como la vasculatura o los vasos sanguíneos, lo que el Dr. Karande dijo que era esencial para la supervivencia de la piel después de haber sido injertada.
Los tres comenzaron a experimentar con la integración de las células endoteliales humanas, que recubren los vasos sanguíneos, y las células pericíticas humanas, que rodean las células endoteliales, en la piel cuando se imprimió. Finalmente, después de muchas pruebas y errores, pudieron integrar los vasos sanguíneos con la piel y descubrieron que se formaron conexiones entre los vasos sanguíneos nuevos y existentes.
Si bien el trabajo es preliminar, probado en ratones, el Dr. Karande dijo que tenía la esperanza de que el éxito en la impresión de la piel y la vasculatura integradas sentaría las bases para un injerto exitoso en humanos eventualmente.
La investigación, según el Dr. Karande, es minuciosa e implica mucho ensayo y error. “Tenemos el Plan A, que a menudo sabemos que no funcionará y luego pasamos a la lista. A menudo podemos escribir sobre lo que funciona en cinco páginas, pero tenemos 5,000 páginas de lo que no funcionó “, agregó.
El laboratorio del Dr. Gaharwar también está investigando si se puede imprimir tejido óseo humano para un trasplante eventual. Su esperanza, dice, es que en el futuro, los escaneos radiográficos del paciente se puedan traducir a la forma exacta necesaria para la implantación, especialmente importante en la reparación de defectos craneofaciales donde la curvatura necesaria puede ser difícil de recrear.
Al igual que el Dr. Gaharwar, el Dr. Karande dice que la personalización es importante. Él dice que su trabajo ya ha demostrado que la piel se puede fabricar para que coincida con el color de un individuo. Y, debido a que la piel también es crítica en la regulación de la temperatura corporal, también está trabajando para diseñar glándulas sudoríparas en la piel, junto con los folículos capilares.
“Cuando injertamos, queremos poder recrear la funcionalidad completa de la piel”, dijo el Dr. Karande. Y al usar las células de un paciente, en lugar de un donante, el riesgo de rechazo se minimiza o elimina por completo.
No es sorprendente que los investigadores también estén explorando la recopilación de datos de las pruebas. El equipo de Wake Forest se está asociando con la compañía de tecnología Oracle para capturar los datos de los organoides y analizarlos con inteligencia artificial. El proyecto, conocido generalmente como el El sistema body-on-a-chip consiste en imprimir tejido vivo en un microchip para permitir que los medicamentos se estudien para determinar su toxicidad y eficacia incluso antes de que comiencen los ensayos clínicos. Los chips pueden ser del tamaño de una moneda de cinco centavos o un cuarto, que es lo suficientemente grande como para contener de 10 a 12 órganos en miniatura.
“Trabajamos mucho con investigadores, compañías farmacéuticas y compañías de biotecnología, y estamos tratando de sembrar avances lo más rápido posible, analizar datos y desarrollar nuevos medicamentos”, dijo Rebecca Laborde, la principal científica principal en la división de ciencias de la salud de Oracle. “Este es el proyecto más emocionante en el que he trabajado en mucho tiempo”.
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