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La bioimpresora 3D podría ayudar a acelerar el desarrollo de fármacos

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Una impresora 3D que produce rápidamente grandes lotes de tejidos biológicos personalizados podría ayudar a que el desarrollo de fármacos sea más rápido y menos costoso. Los nanoingenieros de la Universidad de California en San Diego han desarrollado esta tecnología de bioimpresión de alto rendimiento, que imprime en 3D a una velocidad récord: puede producir un conjunto de 96 pocillos de muestras de tejido humano vivo en 30 minutos.

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Según los investigadores, la capacidad de producir rápidamente este tipo de muestras podría acelerar el cribado preclínico de fármacos de alto rendimiento y el modelado de enfermedades.

El proceso para que una empresa farmacéutica desarrolle un nuevo fármaco puede durar hasta 15 años y costar hasta 2.600 millones de dólares. Por lo general, comienza con el cribado de decenas de miles de candidatos a fármacos en tubos de ensayo. Los candidatos seleccionados se prueban en animales y los que superan esta fase pasan a los ensayos clínicos. Con un poco de suerte, uno de estos candidatos llegará al mercado como medicamento aprobado por la FDA.

La tecnología de bioimpresión 3D de alto rendimiento desarrollada en la UC San Diego podría acelerar los primeros pasos de este proceso. Permitiría a los desarrolladores de fármacos construir rápidamente grandes cantidades de tejidos humanos en los que podrían probar y descartar candidatos a fármacos mucho antes.

"Con los tejidos humanos, se pueden obtener mejores datos -datos humanos reales- sobre cómo funcionará un fármaco", dijo Shaochen Chen, profesor de nanoingeniería de la Escuela de Ingeniería Jacobs de la UC San Diego. "Nuestra tecnología puede crear estos tejidos con gran capacidad de rendimiento, alta reproducibilidad y alta precisión. Esto podría ayudar mucho a la industria farmacéutica a identificar rápidamente los fármacos más prometedores y a centrarse en ellos."

El trabajo se ha publicado en la revista Biofabrication.

Los investigadores señalan que, aunque su tecnología no elimine las pruebas con animales, podría minimizar los fallos que se producen en esa fase.

"Lo que estamos desarrollando aquí son complejos sistemas de cultivo celular en 3D que imitarán más de cerca los tejidos humanos reales y que, con suerte, pueden mejorar la tasa de éxito en el desarrollo de fármacos", dijo Shangting You, investigador postdoctoral en el laboratorio de Chen y coprimer autor del estudio.

La tecnología rivaliza con otros métodos de bioimpresión en 3D no sólo en términos de resolución -imprime estructuras realistas con características microscópicas intrincadas, como los tejidos de cáncer de hígado humano que contienen redes de vasos sanguíneos-, sino también de velocidad. Imprimir una de estas muestras de tejido lleva unos 10 segundos con la tecnología de Chen; imprimir la misma muestra llevaría horas con los métodos tradicionales. Además, tiene la ventaja añadida de imprimir automáticamente las muestras directamente en placas de pocillos industriales. Esto significa que las muestras ya no tienen que ser transferidas manualmente una a una desde la plataforma de impresión a las placas de pocillos para su cribado.

"Cuando se amplía a una placa de 96 pocillos, la diferencia de tiempo es abismal: al menos 96 horas con el método tradicional más el tiempo de transferencia de las muestras, frente a unos 30 minutos con nuestra tecnología", afirma Chen.

La reproducibilidad es otra característica clave de este trabajo. Los tejidos que produce la tecnología de Chen son estructuras muy organizadas, por lo que pueden reproducirse fácilmente para el cribado a escala industrial. Se trata de un enfoque diferente al del cultivo de organoides para el cribado de fármacos, explicó Chen. "Con los organoides, se mezclan diferentes tipos de células y se deja que se organicen por sí mismas para formar una estructura 3D que no está bien controlada y puede variar de un experimento a otro. Por lo tanto, no son reproducibles para la misma propiedad, estructura y función. Pero con nuestro enfoque de bioimpresión en 3D, podemos especificar exactamente dónde imprimir los diferentes tipos de células, las cantidades y la microarquitectura"

Para imprimir sus muestras de tejido, los investigadores diseñan primero modelos 3D de estructuras biológicas en un ordenador. Estos diseños pueden proceder incluso de escáneres médicos, por lo que pueden personalizarse para los tejidos de un paciente. A continuación, el ordenador trocea el modelo en instantáneas 2D y las transfiere a millones de espejos de tamaño microscópico. Cada espejo se controla digitalmente para proyectar patrones de luz violeta -405 nanómetros de longitud de onda, que es segura para las células- en forma de estas instantáneas. Los patrones de luz se proyectan sobre una solución que contiene cultivos de células vivas y polímeros sensibles a la luz que se solidifican al exponerse a ésta. La estructura se imprime rápidamente, capa a capa, de forma continua, creando un andamio de polímero sólido en 3D que encapsula células vivas que crecerán y se convertirán en tejido biológico.

La matriz de microespejos controlada digitalmente es la clave de la alta velocidad de la impresora. Como proyecta patrones 2D completos sobre el sustrato a medida que imprime capa a capa, produce estructuras 3D mucho más rápido que otros métodos de impresión, que escanean cada capa línea a línea utilizando una boquilla o un láser.

"Una analogía sería comparar la diferencia entre dibujar una forma con un lápiz o con un sello", explica Henry Hwang, estudiante de doctorado de nanoingeniería en el laboratorio de Chen, que también es coprimer autor del estudio. "Con un lápiz, tendrías que dibujar cada línea hasta completar la forma. Pero con un sello, se marca toda la forma de una vez. Eso es lo que hace el dispositivo digital de microespejos en nuestra tecnología. Es una diferencia de órdenes de magnitud en cuanto a velocidad"

Este trabajo reciente se basa en la tecnología de bioimpresión 3D que el equipo de Chen inventó en 2013. Comenzó como una plataforma para crear tejidos biológicos vivos para la medicina regenerativa. Los proyectos anteriores incluyen la impresión en 3D de tejidos hepáticos, redes de vasos sanguíneos, tejidos cardíacos e implantes de médula espinal, por nombrar algunos. En los últimos años, el laboratorio de Chen ha ampliado el uso de su tecnología para imprimir estructuras inspiradas en los corales que los científicos marinos pueden utilizar para estudiar el crecimiento de las algas y para ayudar a los proyectos de restauración de los arrecifes de coral.

Ahora, los investigadores han automatizado la tecnología para realizar una impresión de tejidos de alto rendimiento. Allegro 3D, Inc., una empresa derivada de la UC San Diego cofundada por Chen y por Wei Zhu, un ex alumno de su laboratorio de nanoingeniería, ha obtenido la licencia de la tecnología y ha lanzado recientemente un producto comercial.