Primeros pasos de la bioimpresión 3D en la oftalmología, el IDIPAZ fabricará córneas empleando bioingeniería celular y bioimpresoras 3D

Imagen de una bioimpresora 3D, concretamente del modelo BioFAB 4500 de la empresa BioFab

La impresión 3D ya es una realidad en muchos hogares. El poder imprimir en casa juguetes, carcasas para móviles, productos alimenticios como caramelos y figuras de chocolate… Cosas totalmente impensables hace unas décadas, hoy es algo usual. Y lo mismo está ocurriendo con la impresión 3D en medicina. Lo que al principio eran usos experimentales, cada vez se está extendiendo más. Y no me refiero tan sólo al ámbito de la ortopedia en el que cada vez es más frecuente la impresión de distintas prótesis como piernas, manos… sino al ámbito de la bioimpresión 3D. Un Fascinante Campo que no parece tener límites y del cual creo que nuestro colectivo se podrá beneficiar mucho en el futuro. Y de eso trata precisamente este artículo: de una de las múltiples aplicaciones de esta emergente y novedosa tecnología, concretamente de una investigación llevada a cabo en El Instituto Universitario de Investigación Biomédica del Hospital La Paz (IDIPAZ) que permitirá imprimir un sustituto completo de córnea creado por bioingeniería celular a partir de materiales biológicos y células madre del propio paciente.

La córnea es fundamental para la visión. Sin ella no vemos. Es un finísimo tejido, transparente, compuesto por colágeno y distintos tipos de células, que protege el iris y el cristalino, que deja pasar la luz y que además tiene una función de lente que permite enfocar las imágenes sobre la retina. Es como el cristal de una ventana, y por lo tanto, si se vuelve opaca por alguna enfermedad o daño, deja de entrar la luz y dejamos de ver. Y eso es lo que les ocurre anualmente a más de 10 millones de personas que precisan una córnea nueva, de hecho, nos encontramos ante un tipo de afección que es la segunda causa de ceguera en el mundo. Traumatismos, quemaduras, enfermedades congénitas, deformaciones (queratocono), infecciones como el herpes ocular… Todas estas situaciones precisan de un trasplante de córnea para poder devolver al ojo su funcionalidad visual. Se trata de una operación muy sencilla, pero que tiene un grave problema: la escasez de donantes, con las consiguientes largas listas de espera para recibir un trasplante. Por eso es tan importante este estudio del IDIPAZ. Gracias a las córneas bioimpresas resultantes de esta investigación se contribuirá a disminuir la falta de donantes de córnea, pues según la doctora María Paz de Miguel, responsable de la investigación protagonista de este artículo, los pacientes podrán disponer de una córnea totalmente personalizada en una semana. Es más, incluso este sistema podría sustituir la necesidad de los trasplantes tradicionales de córnea, ya que al fabricarse con los propios tejidos del paciente, no hay peligro de rechazo, y eso, sumado a la rapidez en la disponibilidad del trasplante, lo convertirán en un sistema muy útil y atractivo.

Sin duda, estamos ante un paso creo que clave, no sólo para solucionar la falta de donantes para los trasplantes de córnea, sino porque con la tecnología que se consiga desarrollar en esta investigación, se abre la posibilidad de bioimprimir otras partes del ojo y quien sabe, incluso de todo el órgano del ojo… Igual estaréis pensando que estoy pecando de un exceso de optimismo fantasioso, Pero si continuáis con la lectura de este artículo, vosotros mismos podréis llegar a comprobar que la bioimpresión ha evolucionado muchísimo en muy poco tiempo, presentando un gran potencial dentro de la biomedicina, y creo que nos puede deparar muchas y agradables sorpresas. Por supuesto, estoy hablando a muy largo plazo, por el momento con este tipo de técnica tan sólo se pueden imprimir tejidos aislados como es el caso de la córnea. Hacerlo con órganos tan sumamente complejos como el ojo, es algo aún muy lejano.

Vamos, que nos encontramos ante una noticia de gran calado perteneciente a un campo realmente apasionante, y como supongo que esta tecnología os resultará desconocida a más de uno, he pensado que antes de entrar en materia y relataros la noticia, igual os gustaría poneros un poco al corriente con respecto a este nuevo y emergente mundillo que está evolucionando con rapidez e introduciéndose con fuerza en el mundo de la bioingeniería celular.

Introducción a la bioimpresión 3D

No os preocupéis ni os echéis las manos a la cabeza, en este apartado prometo ser bueno y voy a intentar ser breve, pues tan sólo pretendo realizar una introducción a este revolucionario tipo de impresión.

Para empezar, si pretendemos entender cómo funciona la bioimpresión 3D, forzosamente primero se debe comenzar hablando de su origen, que no es otro que la impresión 3D normal y corriente, cuyo inicio se remonta a principios de los años 80, cuando Charles Hull, más tarde, el cofundador de 3D Systems, inventó la estereolitografía, un proceso de impresión que permite crear objetos sólidos a partir de diseños digitales. Bien, y llegados a este punto, he de decir que hay multitud de sistemas de impresión 3D, por lo que para no alargar en exceso este apartado, hablaré de forma genérica sobre este tipo de impresión. A groso modo, las impresoras 3D funcionan como las impresoras de chorro de tinta, pero en vez de tinta, estas otras impresoras depositan el material deseado en una serie de capas sucesivas para crear un objeto en 3D a partir de una imagen digital. Un proceso que puede tardar desde unos pocos minutos hasta varias horas dependiendo de la complejidad del diseño y del material empleado. En cuanto a los materiales usados, aunque al principio lo más habitual solía ser resina plástica o polímeros plásticos, hoy en día hay muchísimos materiales incluido metales, alimentos, o incluso oro para crear joyas.

Por supuesto, la impresión 3D se empezó a aplicar primero en el ámbito empresarial pero luego, con el abaratamiento de los equipos, inició su expansión por los hogares, en principio permitiendo imprimir objetos cotidianos y sencillos aunque con el tiempo se está aplicando a objetos cada vez más complejos (como curiosidad, comentar que incluso se puede encontrar por Internet los planos para imprimir una pistola aparentemente de plástico, pero no precisamente de juguete). Por otro lado, en el ámbito empresarial, sorprende la cantidad de cosas que se pueden imprimir hoy en día, prótesis, medicinas, gran diversidad de productos alimenticios (menús completos), joyas, telescopios, coches, aviones, casas… En fin, la lista sería interminable pero no continuaré pues ya me estoy enrollando demasiado.

El primer uso que se dio a la impresión tres de en el ámbito de la medicina, fue en el campo de la ortopedia, con la creación de distintos tipos de prótesis. Desde hace ya varios años se imprimen prótesis a unos costes realmente interesantes, realizadas en plástico, titanio o materiales cerámicos, para sustituir no tan sólo piernas, manos, sino también vértebras, huesos del cráneo, mandíbulas… Eso sí, de momento no se han impreso prótesis destinadas a sustituir quirúrgicamente articulaciones completas, ya que el tema de la resistencia y la esterilización de las prótesis impresas en 3D es una asignatura pendiente, lo que sí que se ha impreso son algunos huesos como vértebras, mandíbulas o partes del cráneo en materiales biocompatibles como el titanio.

En cuanto a lo que nos interesa, la bioimpresión 3D, también llamada biorreprografía, fue en el año 2006 cuando se otorgó la primera patente de una bioimpresora a Thomas Boland cuando trabajaba en la Universidad de Clemson en Carolina del Sur. Simplificándolo mucho, pero que mucho mucho, se podría decir que este tipo de impresión surgió cuando la resina plástica o Los polímeros plásticos de la impresora 3D convencional se sustituyeron por una tinta biológica. A Partir de Ese Momento, Ya Tenemos una bioimpresora, con la que, en principio, podemos imprimir tejidos y órganos biológicos. Y digo “en principio”, porque por supuesto, el proceso para conseguir imprimir tejidos biológicos no es nada sencillo. Resumiéndolo bastante para hacerlo entendible y no extenderme mucho, se podría decir que todo este proceso de bioimpresión empieza en el laboratorio. Allí los científicos toman muestras de tejidos o células madre del paciente y se cultivan esperando que se multipliquen. Tras ello, esas células se transforman en una especie de tinta biológica, que es la que se utiliza en la bioimpresión. Una vez que se cuenta con ese biomaterial, se carga en un cartucho, y la impresora se programa para imprimir diferentes tejidos u órganos, a la medida de lo que requiere el paciente. En el proceso de impresión la tinta es depositada capa por capa siguiendo el patrón pre programado y dictado por la impresora, a la vez que se deposita un gel que funciona como pegamento hasta que poco a poco, se consigue el resultado deseado. Al final, el gel es extraído y el producto final puede ser utilizado. Otro procedimiento para construir órganos con bioimpresoras 3D es poblar con células un esqueleto biodegradable con la forma deseada (de un corazón, hígado, riñón, etc). A medida que las células se multiplican, van colonizando la estructura, hasta que eventualmente se desintegra y desaparece.

De momento, no se imprime un órgano tal y como lo conocemos, sino conjuntos celulares o tejidos encaminados a digamos “remendar” algunas partes de órganos que no funcionan correctamente. Por ejemplo, se han creado férulas para reparar tráqueas dañadas. De hecho, ya se ha salvado la vida de varios bebés con traqueomalacia severa, una debilidad y flacidez del cartílago de la pared de la tráquea. También se ha impreso orejas, tejido hepático, parte de vejigas y vaginas, injertos de piel… Pero bueno, de momento, quizás el uso más extendido entre los investigadores es imprimir tejidos que se usan en la investigación tanto clínica como farmacológica. El crear órganos complejos, con estructuras complicadas, aún es un objetivo inalcanzable para los bio ingenieros. Según los expertos, la creación de órganos como un corazón, un hígado o un riñón tardará todavía unos 20 años.

Y bueno, todo esto en cuanto a seres humanos, pero en el ámbito de la experimentación en animales, habría mucho que mencionar. Por supuesto no me extenderé en ello, tan sólo destacaré por ejemplo que ya se ha conseguido crear mini hígados de cerdo, riñones, o tejidos de cartílago, músculo y hueso que han mostrado su viabilidad estructural y funcional, incluso creándose en ellos su propio sistema vascular.

Seguro que me he dejado muchas cosas en el tintero, pues es un mundo realmente muy complejo que evoluciona muy deprisa. La primera patente, como ya hemos visto se concedió hace apenas una década, en el 2006. En el año 2009 el grupo del Dr. Gabor Forgacs (cofundador de la empresa Organovo, en la que actualmente se fabrican tejidos biológicos para ser utilizados en pruebas clínicas) imprime los primeros vasos sanguíneos y pequeños tejidos cardíacos. En el 2013 investigadores de la Universidad de Heriot-Watt (Edimburgo) dieron un paso muy importante al conseguir que las células embrionarias contenidas en la tinta biológica conservaran su capacidad de multiplicarse y diferenciarse en casi cualquier célula humana consiguiendo que esas células mantuviesen sus propiedades intactas después de pasar por la impresora… En fin, que podría continuar y continuar cual conejito de Duracell dándoos datos y más datos, pero tan sólo quiero reflejar que en pocos años se han ido consiguiendo logros bastante significativos. Y ya no digamos nada de los que están por llegar… Por ejemplo, investigadores rusos del laboratorio 3D Bioprinting Solutions, comunicaron ya hace un par de años que preveían tener el primer riñón en 3D para el año 2018. Por otro lado, científicos en EEUU han afirmado que imprimirán el primer corazón humano en el año 2025… En fin, un futuro bastante prometedor que cambiará muchas cosas, pues si se consiguen crear por fin órganos bioimpresos a partir de las propias células madre de cada paciente, eso permitirá reducir enormemente las listas de espera de trasplantes, se eliminarán los problemas de rechazos, también se podrá hacer ensayos de medicinas directamente en órganos humanos creados expresamente para ello… Vamos, todo un mundo de nuevas posibilidades muy, pero que muy atractivas y que están animando a muchos investigadores a seguir trabajando con esta nueva tecnología.

Pero bueno, creo que ya me he enrollado bastante y como supongo que ya os habréis hecho una idea aproximada de en qué consiste la bioimpresión 3D y de cuál es su panorama actual, pasaré ya por fin a comentaros la noticia de la córnea del IDIPAZ.

La investigación del IDIPAZ

Bueno, ya hemos llegado. A ver… Resulta que a principios de este mes de agosto de 2017 El Instituto de Investigación Biomédica del Hospital Universitario La Paz (IDIPAZ) ha realizado un comunicado para anunciar que el equipo de ingeniería celular de este instituto, dirigido por la doctora María Paz de Miguel, está trabajando en la creación de un estroma corneal humano biomimético que sustituirá la necesidad de donantes humanos. Vamos, para que nos entendamos, y usando un lenguaje más asequible, que está trabajando en la creación de una prótesis de córnea.

Se trata de un proyecto que ha sido seleccionado por la Fundación para la Innovación y la Prospectiva en Salud en España (FIPSE) en el marco del programa internacional Idea2 Global desarrollado por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).

El objetivo del equipo de la doctora María Paz de Miguel es fabricar un sustituto completo de córnea creado por bioingeniería celular, pero con la peculiaridad de que se tratará de un trasplante totalmente autólogo, es decir, creado a partir de materiales biológicos y células madre del propio paciente (esta importante característica junto con que se trata de una fabricación, no de un cultivo de córneas es lo que convierte a esta investigación en algo realmente novedoso, diferenciándola de otras investigaciones que me he encontrado por Internet relacionadas con la creación de prótesis corneales).

¿Qué cómo fabricarán estas córneas? Pues la idea es primero sintetizar, por medio de herramientas de nanotecnología, una matriz extracelular polimérica de colágeno, que imitará la córnea humana, y después bioimprimir en 3D sobre esta matriz células madre mesenquimales del propio paciente. La matriz extracelular hará la función de “andamio” a las células madre, y estará creada con fibras de colágeno paralelas con unas distancias específicas que garantizarán la transparencia corneal.

Según los investigadores, lo que más tiempo conllevará es el caracterizar las células madre del receptor (se usarán células madre mesenquimales provenientes del tejido graso del propio paciente), pero aun así la córnea biológica se podrá fabricar a medida, en muy poco tiempo, aproximadamente en una semana, y no se espera que haya rechazo, ya que el material que se utilizará es colágeno (que es inerte) y las células madres son del propio paciente. Vamos, que el ojo reconocerá la córnea fabricada igual de bien que la trasplantada, por lo que se supone que se tratará de un trasplante definitivo y permanente.

El equipo está trabajando con expertos del MIT y de Harvard, en un trabajo “muy interactivo” que durará hasta final de este año, y el objetivo es fabricar las primeras córneas para uso clínico en 5 años.

Por supuesto, habrá que estar al tanto de cómo evoluciona esta prometedora investigación y del resultado de los primeros ensayos clínicos.

Conclusión

Como ya he comentado al inicio de este artículo, pienso que con esta investigación del IDIPAZ nos encontramos ante un paso clave, no sólo para solucionar la falta de donantes para los trasplantes de córnea, sino porque con la tecnología que se consiga desarrollar en esta investigación, se abre la posibilidad de bioimprimir otras partes del ojo. Lo ideal sería conseguir hacerlo con la retina e incluso el nervio óptico, pero eso ya son palabras mayores y no digamos ya conseguirlo con el ojo entero. Aunque se hayan logrado imprimir ya multitud de tejidos e incluso algunos órganos en animales, la complejidad de los ojos los convierte en todo un reto para la bioimpresión. Simplificándolo mucho, una tráquea, al fin y al cabo, no es más que un tubo y un corazón no es más que una especie de bomba, pero los ojos son algo mucho más complejo, algo así como una especie de sensor lumínico capaz de enviar señales nerviosas que nuestro cerebro puede interpretar como imágenes. Vamos, todo un “señor reto”. Pero bueno, soñar es gratis y la tecnología evoluciona muy rápidamente. Eso sí, una vez más, y a riesgo de hacerme repetitivo, me veo obligado a hacer un llamamiento a la precaución para que no os forméis falsas expectativas. No ante este trasplante de córnea, pues en unos cinco años se supone que será una realidad, pero si ante mis comentarios sobre la posible bioimpresión de otras partes del ojo.

También quiero remarcar que por supuesto este no es el único proyecto que busca la creación de prótesis de córnea. Según he podido constatar, hay otras investigaciones similares, pero para nada iguales. Entre ellas, destacaría la córnea artificial biosintética producida con colágeno sintético desarrollada hace 7 años por científicos de las universidades de Ottawa (Canadá) y Linköping (Suecia), el caso mucho más cercano del primer trasplante de córnea artificial en España que se llevó a cabo hace tres años en Granada, concretamente en el Hospital Clínico San Cecilio, en un proyecto colaborativo con la Unidad de Producción Celular del Hospital Virgen de las Nieves y la Universidad de Granada, y el proyecto “Sylcor”, desarrollado en el centro tecnológico Prodintec en colaboración con el Instituto Oftalmológico Fernández Vega de Oviedo y las universidades de Oviedo y Murcia. Pero a mi parecer, de entre todas ellas, la investigación del IDIPAZ es la más novedosa y la que tiene mayor potencial tanto por tratarse de prótesis totalmente autólogas como por la rapidez en la que se podrá fabricar, aparte de que es la primera que se fabricará con bioimpresión 3D (la prótesis de Canadá y Suecia, aunque aparentemente dio muy buenos resultados, es totalmente artificial (de colágeno sintético), la implantada en granada, a pesar de haberse creado sobre una matriz de un biomaterial nanotecnológico, provenía de cultivos de córneas humanas y el proyecto Sylcor, aunque usa tecnología de impresión 3D, usará materiales muy distintos y no parece estar tan evolucionado como el del IDIPAZ). Por supuesto, también hay prótesis de córnea de plástico sintético destinadas a pacientes que no tuvieron éxito con el trasplante de tejidos donados, pero su implante es complicado y pueden causar infecciones, glaucoma y desprendimiento de retina, por lo que no las tengo en consideración.

Por otro lado, y ya casi acabo, me gustaría mencionar que mientras he estado elaborando este artículo, me he ido encontrando numerosas opiniones de renombrados investigadores acerca del futuro de la bioimpresión 3D, y he de decir que hay opiniones para todos los gustos. Los hay que creen que esta técnica tiene mucho que aportar a la medicina regenerativa y de trasplantes, mostrándose muy optimistas en que será la solución a la falta actual de donantes y a los rechazos. Pero también los hay que piensan que esta técnica no evolucionará más allá de permitir bioimprimir tejidos pero no órganos. Dicen que se podrá regenerar piel, crear injertos de cartílago y hueso, o que se podrá aplicar en casos en los que se puedan solucionar enfermedades sustituyendo tan sólo un tejido simple, como en la creación de vejigas artificiales, pero que ahí se acabará todo. Estos investigadores sostienen que fabricar una capa de tejido con células y matriz es factible, pero llegar a crear una estructura que logre dar respuestas complejas frente a señales endócrinas, como en el caso del páncreas y el hígado, o integrar estímulos nerviosos como en el caso del corazón, de momento es más ficción que ciencia. Pero bueno, también era impensable hace unas décadas bioimprimir vasos sanguíneos, piel, cartílago, tejido óseo e incluso tejido nervioso, y actualmente son cosas factibles. Otro gran obstáculo que refieren algunos investigadores con respecto a esta técnica, pero que también afecta a la mayoría de las técnicas de ingeniería de tejidos, es el de poder disponer de la cantidad de células suficientes como para poder imprimir los tejidos deseados, y ya no digamos nada, un órgano completo. En el caso de la piel o del hígado, esto es sencillo, pues se trata de células que se pueden cultivar y reproducir con facilidad, pero esto es poco común entre los demás tejidos del cuerpo. Vamos, que no queda otra que echar mano de las células madre, que como ya sabéis, son células que pueden dar origen a los diferentes tejidos y órganos que conforman nuestro cuerpo. Claro, aquí habría mucho que hablar de estas células, de sus tipos (tanto las naturales como las creadas en laboratorio), de los problemas bioéticos, de las ventajas e inconvenientes de usar unas y otras… Pero para no extenderme mucho, tan sólo comentaré que los investigadores están trabajando muy en serio en solucionar todos esos “problemillas” que se presentan al usar estas células, a la vez que buscan la forma de poder rellenar los cartuchos de las bioimpresoras con una fuente inagotable de células madre que no presenten posteriores complicaciones. Vamos, que aún queda mucho terreno por recorrer, pero la mayoría de los investigadores se muestran optimistas en ir encontrando, paso a paso, soluciones para todos esos “problemillas”.

Y bueno, y ahora ya para finalizar, y más bien como algo anecdótico y curioso, me gustaría aprovechar la ocasión para hablaros de algo que tiene que ver con la bioimpresión de un ojo completo. Se trata, eso sí, de un diseño conceptual de hace dos años, que en su momento me llamó la atención y que ahora, al investigar sobre la bioimpresión me he vuelto a encontrar. Me refiero a un proyecto llamado “EYE”, un acrónimo de Enhance Your Eye (“Mejora tu ojo” en inglés). Este proyecto, desarrollado por un grupo de investigadores de la Universidad de Bolonia (Italia), plantea el diseño de un ojo totalmente orgánico, bioimpreso en 3D, que estaría conectado al cerebro por medio de un puerto implantado mediante cirugía. Pero ahí no acabaría la cosa, no, que va, este interesante, aunque fantasioso “súper ojo”, aunque tendría como objetivo principal devolver la vista a aquellas personas que la han perdido parcial o totalmente, también serviría para mejorar la visión de las personas normales, convirtiéndose en todo un “wearable”, al permitir añadir filtros y hasta grabar nuestra vida y compartirla a través del wifi. Además, por si eso no fuese suficiente, ese puerto de conexión entre EYE y el cerebro, Permitiría instalar y cambiar de forma sencilla estos estupendos ojos por versiones más actualizadas sin necesidad de ninguna intervención quirúrgica. Vamos, un más que curioso proyecto, que según sus desarrolladores podría ser una realidad para el año 2027, algo que dudo mucho, pues aunque se consiguiese crear este fantástico ojo, ¿cómo lo conectarían con el cerebro? En fin, un “detallito” sin importancia, que por supuesto, los ideólogos de este proyecto no tienen ni idea de cómo solucionar. Pero bueno, ahí os dejo ese concepto de “ojito biónico” como curiosidad y como muestra de que hay desarrolladores que creen que la bioimpresión tiene mucho potencial y futuro.

Enlaces y fuentes

Como ya es habitual, a continuación os comparto algunos de los enlaces más interesantes que me he ido encontrando por ahí a la hora de elaborar este artículo:

La noticia de la fabricación de córneas del IDIPAZ.

Investigadores del Hospital La Paz fabricarán córneas completas que sustituirán la necesidad de donantes humanos (Antena3.com)

La noticia de la prótesis de córnea creada en Granada.

Médicos granadinos hacen con éxito el primer implante de córnea artificial en España (Diario de Cádiz.es)

La noticia de la prótesis de córnea del proyecto Sylcor.

Un proyecto español para crear una córnea artificial con derivados de seda (el correo.com)

La noticia de la prótesis de córnea desarrollada por científicos en Canadá y Suecia.

Crean córnea artificial que repara la vista (bbc.com)

La noticia del diseño conceptual EYE.

Un ojo impreso en 3D podría mejorar la visión y grabar nuestra vida (El confidencial.com)

Distintos enlaces sobre impresión 3D y bioimpresión 3D:

Historia impresoras 3D (impresoras3d.com)

Impresión de órganos humanos: la ciencia ficción alcanza a la realidad (comunicarciencia.bsm.upf.edu)

Impresoras 3D para crear órganos bioartificiales (biotekis.es)

Nuevos materiales para cirugías, medicinas e implantes. El futuro de la medicina en la impresión en 3D (republica.com.uy)

Una impresora 3D crea huesos, músculos y cartílagos (El pais.com)

Autor: Jaime Franco

 

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