La ciencia de imprimir órganos artificiales

Cada semana se anuncia un nuevo hito en la impresión en 3D, una sorprendente tecnología que ha permitido fabricar con éxito prácticamente cualquier objeto, desde armas, lapiceros, vajillas, hasta juguetes y joyas. 

La semana pasada una nueva máquina de este tipo causó conmoción. Fue diseñada por el físico colombiano Gabriel Villar Martínez, pero no para crear objetos caseros sino algo mucho más complicado: estructuras sintéticas que se comportan como tejidos vivos. 

El trabajo es de tal trascendencia que la prestigiosa revista Science, una de las publicaciones científicas más importantes del mundo, le dedicó su portada la semana pasada. La comunidad científica lo recibió con gran optimismo pues abre una nueva puerta hacia el objetivo de crear órganos artificiales, un tema que ahora, gracias a este estudio, ya no se ve tan lejano.

La noticia fue reproducida en la mayoría de portales de ciencia y en los más importantes medios impresos del mundo como The Economist, que lo consideró un hito histórico. La investigación hizo parte del trabajo de doctorado de este colombiano de 27 años, quien se vinculó para ello al laboratorio del químico biólogo Hagan Bayley en la Universidad de Oxford. También participó Alexander Graham, otro de los estudiantes de Bayley. 

Como Villar, varios científicos han buscado desde hace mucho tiempo la manera de producir repuestos del cuerpo. Entre las alternativas han estado las prótesis y los corazones mecánicos, y recientemente, con el avance de la investigación en células madres, crear órganos a partir de ellas ha mostrado ser útil en ciertos casos. 

Por ejemplo, Paolo Macchiarini, médico del Instituto Karolinska, trasplantó por primera vez en 2008 una tráquea creada con células madre en el laboratorio. Desde entonces otros grupos han seguido su ejemplo con órganos relativamente sencillos, como la vejiga, pero aún no ha sido posible reproducir la complejidad de un hígado o un riñón.

Otros científicos, sin embargo, creen que la mejor opción es usar la tecnología de impresión 3D debido a que este tipo de máquinas aceleraría el proceso y el producto final sería más fiel al original. Imprimir objetos en 3D consiste en usar resina o polímeros en lugar de tinta. Con un programa digital, la impresora descompone el diseño y va creando el objeto, capa por capa, con absoluta precisión. 

En el caso de los órganos, la ‘tinta’ consistiría en productos biológicos, como células madre, que tienen la particularidad de ser pluripotenciales, es decir, se pueden convertir en cualquier célula especializada del cuerpo, ya sea de la piel o del corazón. Con un diseño previo del órgano se podría depositar cada célula hasta formarlo igual al original. 

Aunque los científicos ya han podido fabricar tejido vivo a partir de estas células, en el laboratorio se enfrentaban siempre al escollo de que son muy sensibles y se destruyen a la menor manipulación física. En febrero, sin embargo, un grupo de la Universidad de Heriot-Watt en Escocia ideó una impresora con un sistema neumático que preserva las células. “Están vivas luego de la impresión y lo más importante es que mantienen su característica de ser pluripotenciales”, dijo a SEMANA Will Shu, autor del trabajo, publicado en la revista Biofabrication.

El trabajo de Villar es un aporte ingenioso a este campo, pues en lugar de usar células madre empleó pequeñas gotas de agua cubiertas de lípidos, lo que les da propiedades similares a las de los organismos sin ser un tejido vivo. En esto radica la novedad. Mientras muchos grupos están trabajando con células, Villar y Bayley vieron una alternativa en estas gotitas que, al estar compuestas de agua y aceite, pueden ser biocompatibles. Cuando entran en contacto entre ellas, estas gotas encapsuladas en la película grasa se pegan unas a otras y forman una membrana parecida a las que se observan en las células humanas. 

De nuevo, el obstáculo de este grupo también fue crear tejidos de una manera más rápida y precisa, y no manualmente. La solución más atractiva era adaptar la tecnología de impresión en 3D. Villar diseñó y fabricó una impresora de este tipo, que liberaba una gota cada segundo en un orden exacto y predeterminado. 

El proceso se aceleró de tal manera que pudo crear redes de hasta 35.000 gotas. A medida que cada una se depositaba, se adhería a la adyacente hasta crear una membrana de dos capas de lípidos, tal y como se comportan las células vivas. Y no solo eso, pues lo hizo también en diferentes formas geométricas.

David Needham, un ingeniero biomédico de la Universidad del Sur de Dinamarca, en Odense, ha trabajado con este tipo de gotas y ha logrado que un montón de ellas se junten en el laboratorio, “pero imprimirlas ha sido un verdadero logro”, le confesó a la revista Nature.

Los tejidos impresos, además, mantuvieron su forma, lo cual es importante porque quiere decir que son estables. Y como se trata de un producto sintético, que no tiene genoma y por lo tanto no se replica, Villar y su grupo creen que se podría usar para crear tejido y órganos artificiales sin el riesgo de que sus elementos proliferen y creen tumores, como podría pasar con los hechos de células. “No estamos tratando de hacer materiales idénticos a los tejidos humanos porque son impredecibles –dijo Villar a SEMANA–.

Cuando se hace con células, estas se mueven o terminan por crear un tipo de tejido no deseado”, agrega.

La gran ventaja es que el resultado se puede programar para que se comporte como un tejido vivo. Como se sabe, las células humanas están en constante diálogo para cumplir sus múltiples funciones. El tejido del corazón, por ejemplo, compuesto por miles de millones de células, debe estar en perfecta comunicación y sincronía para marchar al mismo ritmo y hacer el movimiento de bombear sangre al cuerpo. 

El grupo de Villar logró esa comunicación al cargar unas de estas gotas de agua con iones de sal. Así, las más saladas requirieron más agua y crecieron. Esto permitió que al imprimirse, gracias a los principios de ósmosis, los tejidos sintéticos se movieran y adquirieran diferentes formas según patrones predeterminados. 

Una de las más llamativas es una que parece una flor aplastada, que al ser impresa está programada para cerrar sus pétalos y convertirse en una bola hueca, algo que no se puede lograr directamente con la sola impresión. “Pudimos mostrar que estos tejidos se pueden mover como si fueran músculos”, dice Villar. Solo falta programarla para que se vuelva a abrir y cerrar indefinidamente, lo cual no supone una gran dificultad.

También lograron imprimir goticas con proteínas que formaron canales de comunicación a través de los cuales se enviaron señales eléctricas, como si se tratara de un nervio rudimentario. “Para el experimento solo usamos dos tipos de gotas, pero se podrían usar 50 tipos diferentes”, señaló Bayley.

Estos avances no significan que la impresión de órganos se encuentre a la vuelta de la esquina, aunque son pasos grandes hacia dicha meta. Pero en el mediano y el corto plazo estos tejidos podrían servir para probar la toxicidad de nuevas drogas in vitro sin necesidad de experimentar con seres vivos. “Tenemos la meta de producir tejido hepático en dos años para ver cómo reacciona ante ciertas sustancias”, dice Shu. El experto también planea introducir estructuras vasculares en un órgano impreso, “lo cual por ahora es el mayor reto en este campo”.

La técnica de Villar también se podría usar en el corto plazo para crear tejidos que reemplacen las partes dañadas de un órgano vivo, o incluso servir de andamio o estructura para cultivar células vivas. El físico destaca una aplicación interesante, enviar medicinas de manera más efectiva por este medio. 

Una esfera de estas podría contener un tipo de droga contra el cáncer. Las gotas se pueden programar con lípidos especiales para explotar a altas temperaturas, por lo cual cree que una vez suministradas a un paciente este podría recibir calor en el lugar del tumor para que las gotas exploten, liberen la medicina que transportan y afecten esa zona exclusivamente. “Este sistema no tendría tantos efectos secundarios pues la sustancia no alcanzaría a las células sanas, como sucede hoy con la quimioterapia”, señala el experto.

Otra posibilidad es activar las drogas en el propio cuerpo. Villar explica que algunos medicamentos para el cáncer no han podido ser aprobados porque son muy inestables. Con estos tejidos sería posible crear esferas con dos tipos de gotas: unas con el medicamento inactivo, y otras que contengan el activador. “Como las gotas están pegadas, cuando explotan sus contenidos se mezclan en el lugar y la droga se fabricaría dentro del cuerpo en un segundo y donde se necesita”, explica.

Las posibilidades son muchas y por eso el estudio de Villar fascinó a la comunidad médica. La razón es que, en principio, el tejido impreso por Villar podría contener cualquier maquinaria biológica que permita emular el comportamiento sofisticado de los tejidos vivos en un organismo.

El doctor Gabriel Villar, de 27 años, nació en Bogotá. Hace parte de una familia de profesionales exitosos entre los que sobresale su tío Leonardo Villar, director de Fedesarrollo. Es el menor de tres hermanos que a principio de los noventa se trasladaron a Kenia con su mamá, quien se había casado en segundas nupcias con un ejecutivo de Unilever recién trasladado a este país. Luego vivió otros tres años en Israel. De ahí la familia se mudó a Surrey, un condado cerca de Londres donde el joven terminó su bachillerato. 

Allí, en un colegio público, le tomó cariño a la física y decidió dedicarse a esta materia. “Quería entender cómo funcionaba el mundo”. Ingresó a la Universidad de Oxford y en cuatro años obtuvo su grado y su diploma de maestría. Para su doctorado escogió una opción que ofrecía dicha universidad de pasear por diferentes laboratorios antes de escoger uno en el cual trabajar. 

Así llegó al grupo del profesor Hagan Bayley, en donde hizo su tesis y conoció a quien hoy es su pareja. En la actualidad se desempeña en Cambridge Consultants, una firma especializada en desarrollar productos que resuelven problemas técnicos muy complicados. Aunque hoy trabaja en gas y petróleo aceite, Villar piensa que en el futuro podría seguir su trabajo con las gotitas de agua, y no descarta empezar su propia investigación algún día. “Estos temas son muy divertidos”, señala.