Científicos desarrollan una biotinta para la impresión 3D de tejido nervioso

Se trata de una técnica que puede contribuir en el estudio de las enfermedades neurodegenerativas, en pruebas de fármacos y, en un futuro, también podrá utilizársela en la reconstrucción de partes dañadas del cerebro

Por André Julião  |  Agência FAPESP – Un grupo de investigadores de la Universidad Federal de São Paulo (Unifesp), en Brasil, trabaja en el desarrollo de una biotinta para producir tejidos neurales en tres dimensiones (3D) que simulen el cerebro humano y permitan estudiar con mayor precisión enfermedades neurodegenerativas tales como el párkinson y el alzhéimer.

La idea es reproducir el funcionamiento del sistema nervioso central de una forma más fiel que la que se aplica en los actuales estudios, realizados en placas de cultivo –con tan solo un tipo de células y en formato bidimensional (2D)– o en ratones, animales que, pese a la cercanía de su genoma con el de los seres humanos, no poseen cerebros tan complejos.

Esta biotinta se empleará en una bioimpresora 3D, que imprime en diversas capas hasta formar una estructura similar a la de un tejido o un órgano. Diversos grupos de investigación en el mundo han puesto a prueba esta tecnología. En el futuro, cabe esperar que pueda aplicársela en trasplantes.

Por ahora, esos órganos en miniatura pueden emplearse como modelos experimentales para probar fármacos y estudiar mecanismos relacionados con el desarrollo de enfermedades. Entre las pruebas que han realizado grupos de Brasil y del exterior, la bioimpresión de células del cerebro surge como la más difícil, dada la complejidad del sistema nervioso central, compuesto por diferentes células que interactúan entre sí de una forma poco conocida aún.

“La idea de este estudio consiste en contar con un modelo tridimensional, más complejo y más cercano a un modelo in vivo, en el cual podamos estudiar los mecanismos celulares de las enfermedades neurodegenerativas”, dijo Bruna Alice Gomes de Melo, quien lleva adelante una pasantía posdoctoral en la Escuela Paulista de Medicina (EPM) de la Unifesp con beca de la FAPESP.

Este trabajo se dio a conocer durante el 34º Encuentro Anual de la Federación de Sociedades de Biología Experimental (FeSBE), que tuvo lugar en septiembre de 2019 en la localidad de Campos do Jordão (en el estado de São Paulo), y forma parte de un proyecto que cuenta con el apoyo de la FAPESP, en el marco a su vez de un Proyecto Temático aprobado recientemente.

“La bioimpresión se encuentra en una fase bastante inicial en todo el mundo. Dentro de lo que está llevándose adelante, lo que más aparece es la bioimpresión de cartílagos y huesos, dos tejidos con estructuras más sencillas y que, por ende, resulta más fácil trabajárselos. Con tejido neural es muy poco lo que se ha logrado hasta ahora”, dijo Marimélia Porcionatto, docente de la EPM-Unifesp y supervisora de la investigación.

Las investigadoras explican que la bioimpresión de tejidos neurales difiere, por ejemplo, del modelo de organoides elaborado por el grupo del investigador Stevens Rehens, del Instituto D’Or de Pesquisa e Ensino, con sede en Río de Janeiro.

Pese a ser también ser tridimensional, el organoide se genera mediante una autoorganización de células con pluripotencia inducida (iPSC, en inglés). Por eso posee un tamaño limitado, pues las células que están en el centro comienzan a morirse debido a una deficiencia en el intercambio de gases y en el aporte de nutrientes.

“En la bioimpresión 3D, al concretársela en capas y con un material poroso, se produce un mayor intercambio de gases y un mayor ingreso de nutrientes a las células. Asimismo, podemos trabajar para efectuar la vascularización de ese tejido, a los efectos de que viva durante más tiempo”, dijo Porcionatto.

La vascularización

En las primeras pruebas a cargo del grupo de la Unifesp, se emplearon distintas proporciones de gelatina (elaborada con el colágeno presente en los órganos humanos) y alginato, una sustancia a base de algas conocida por su biocompatibilidad. Ambos poseen la ventaja de ser lo suficientemente pastosos como para pasar por la aguja de la impresora 3D y solidificarse poco después de depositarse sobre una superficie.

Mientras que el colágeno le imprime firmeza a la pieza bioimpresa, el alginato es poroso, con lo cual permite la proliferación de las células que resulta esencial para la obtención de algo cercano al tejido real. En los ensayos realizados, la proporción de un 5% de gelatina se mostró más prometedora.

La idea de las investigadoras es imprimir la mezcla en diferentes capas. Cada una tendría distintas células, las cuales en principio serían astrocitos, neuroblastos y células endoteliales. Los astrocitos son las células más abundantes y de mayores dimensiones del sistema nervioso central. A su vez, los neuroblastos son las células precursoras de las neuronas.

Las células endoteliales son las que forman los vasos sanguíneos. Impresas en formato tubular, simulan la presencia de los vasos. En la actualidad, la vascularización constituye uno de los mayores obstáculos para la bioimpresión de órganos, pues al no tener sangre en circulación y que transporte oxígeno y nutrientes, el órgano no puede funcionar.

“En la bioimpresión, lo que resulta más difícil de concretarse actualmente es la vascularización y la inervación. Lo que se logra hoy en día es una estructura parecida a un vaso. Intentaremos mimetizar la llamada barrera hematoencefálica, que efectúa la separación entre la sangre y el tejido nervioso”, dijo Gomes de Melo.

Para ello, las investigadoras aplicarán también las técnicas de microfluídica, que hacen posible el paso de pequeños volúmenes de líquido por el tejido bioimpreso.

El origen

De todos modos, el tejido nervioso es mucho más complejo que una gelatina con neuronas, astrocitos y algún líquido circulando entre ellos. Aun cuando los próximos pasos de la investigación incluyan el uso de otras células cerebrales en la biotinta, se hace necesario entender la interacción entre ellas y cómo se forman para que se pueda reproducir el funcionamiento cerebral.

Por eso el grupo pretende mimetizar los denominados nichos neurogénicos, donde se forman las células madre neurales que dan origen a las otras células del sistema nervioso central. En el cerebro, los nichos neurogénicos se encuentran ubicados en áreas tales como el hipocampo y la zona subventricular. La idea de las investigadoras es bioimprimir las llamadas células madre neuroepiteliales, las más primordiales entre las células madre neurales, y observar cómo se forman las otras células.

Para que exista esa formación, se le agregarán a la biotinta distintos factores morfogénicos, tal el nombre que se les da a las proteínas y a los péptidos que sabidamente dotan de identidad a las células.

“Existen diversos factores que operan al mismo tiempo. Dependiendo de dónde se encuentren las células, reciben una mayor o menor cantidad de un determinado factor. Si les agregamos distintas concentraciones de esas proteínas y péptidos, podremos entender cómo se diferencian esas células”, dijo Porcionatto.