Un grupo de investigadores financiado con fondos europeos ha desarrollado una técnica de bioimpresión 3D para cultivar hueso, grasa y tejido muscular vivos en el laboratorio, abriendo la puerta a una amplia gama de aplicaciones, desde la investigación de la leucemia hasta la carne cultivada.
La naturaleza ha pasado miles de millones de años perfeccionando el arte de construir con células vivas. Un equipo de investigadores ahora está aprendiendo de ese proceso y encontrando formas de acelerarlo.
Para Massimo Vassari, profesor de bioingeniería de la Universidad de Glasgow, el objetivo es comprender no sólo cómo se forma el tejido vivo, sino también cómo se puede recrear en el laboratorio.
Vassalli es el coordinador científico de PRISM-LT, un proyecto de cinco años financiado por la UE que se extenderá hasta 2027. El equipo está desarrollando una plataforma de bioimpresión 3D para crear tejidos biológicos complejos para todo, desde la investigación biomédica hasta la carne cultivada.
En el centro del proyecto se encuentra un concepto que suena casi futurista: biomateriales de ingeniería (ELM).
Se trata de materiales fabricados parcial o totalmente a partir de células vivas, incluidos microorganismos como bacterias y hongos, que pueden crecer, responder y adaptarse a su entorno. Los ELM pueden autoensamblarse y autocurarse de maneras que los materiales estáticos tradicionales no pueden.
«Los biomateriales creados sintéticamente pueden tener características dinámicas adicionales que no pueden reproducirse con materiales estáticos tradicionales», dijo Vasari.
Edificios hechos de células vivas
ELM tiene el potencial de transformar industrias desde la atención médica hasta la producción de alimentos, pero para que ese potencial se convierta en realidad, debemos resolver el difícil problema biológico de cómo imprimir células vivas en estructuras complejas sin matarlas ni perder el control de su crecimiento.
El equipo PRISM-LT está abordando este problema construyendo tejido vivo a partir de pequeñas cápsulas que contienen células vivas y un material de soporte similar a un gel conocido como biotinta.
«En lugar de imprimir un flujo continuo de biotinta, trabajamos con componentes vivos encapsulados», explica Laura Martinelli, coordinadora del proyecto PRISM-LT y directora ejecutiva de In Society, una organización de investigación con sede en Udine, Italia.
«Estas cápsulas pueden colocarse con precisión mediante un brazo robótico o bioimprimirse capa por capa para crear estructuras de tejido complejas».
Los métodos tradicionales imprimen células en un flujo continuo de material sin la guía biológica que pueden proporcionar los microorganismos vivos. Aquí, cada cápsula es una unidad biológica que lleva tanto un andamio que guía el crecimiento celular como un microorganismo diseñado que ayuda a guiar el crecimiento celular.
Estos microorganismos están diseñados genéticamente para actuar como guías biológicas. Detectan cuándo las células madre (células que pueden desarrollarse en diferentes tipos de tejido) comienzan a cambiar y responden liberando señales químicas conocidas como factores de crecimiento que guían a las células hacia el tipo de tejido deseado.
El proceso de fabricación es rápido, tardando desde unos minutos hasta una hora. Después de eso es aún más lento. Hay un período de maduración de aproximadamente tres semanas durante el cual las células madre se convierten en tejido óseo, graso o muscular. El equipo de investigación ahora puede producir tejido delgado de aproximadamente 1 centímetro cuadrado de espesor y está trabajando en bloques de 1 centímetro cúbico.
Lo que hace que esto sea particularmente difícil es que el proceso requiere que se coloquen en el mismo entorno componentes vivos que naturalmente no van juntos.
«Necesitamos crear una relación simbiótica entre dos sistemas que no están diseñados para vivir juntos, como la levadura y las células madre», afirma Vassari. «El principal desafío es crear condiciones suficientes para que las levaduras, las bacterias y las células madre se diferencien».
Esta curiosidad por las interacciones biológicas fue el origen del proyecto. «Comenzamos este estudio porque estábamos interesados en esta interacción», dijo Vassari. «Básicamente, así es como ocurrió la evolución: los organismos unicelulares interactuaron y evolucionaron hacia la naturaleza tal como la conocemos».
De la médula ósea al plato
Los investigadores están trabajando para recrear dos tipos de tejidos específicos. Uno es la interfaz entre el hueso y el tejido adiposo en la médula ósea para la investigación biomédica.
La otra es una estructura de grasa muscular que imita las vetas de grasa que dan textura y sabor a la carne real, una cualidad que no ha sido posible en la carne cultivada o cultivada en laboratorio durante mucho tiempo.
La plataforma también se utilizará para crear modelos de tejido en miniatura que imiten la estructura de los órganos humanos y podría usarse potencialmente para respaldar las pruebas de fármacos y la medicina personalizada.
«Este proyecto tiene como objetivo proporcionar una plataforma que pueda operar en diferentes organizaciones, con propósitos completamente diferentes pero utilizando los mismos principios», dijo Martinelli.
En el campo de la salud, se centra en la construcción de modelos 3D de médula ósea para estudiar terapias para enfermedades que afectan la médula ósea, como la leucemia.
En lo que respecta a los alimentos, lograr una distribución adecuada de las grasas es fundamental para la aceptación del consumidor. «Gracias a nuestra tecnología de bioimpresión, podemos lograr la textura adecuada en los sustitutos de la carne, creando una oportunidad para llevar sustitutos de la carne al mercado», dijo Martinelli.
Llevará tiempo poner esta tecnología a disposición del público. «Todavía estamos muy lejos de las aplicaciones del mundo real», afirmó. «Nos estamos centrando en principios y mecanismos para ver qué es posible. Pero ya estamos teniendo en cuenta los desafíos futuros».
La percepción del consumidor es uno de esos desafíos. Al desarrollar carne cultivada, los investigadores optaron por utilizar levadura en lugar de bacterias. «Sería difícil explicar a los consumidores que la carne se elabora utilizando bacterias», afirmó Martinelli.
Más allá del laboratorio: la frontera regulatoria
Los avances científicos son sólo una parte del desafío. La introducción de biomateriales artificiales en la producción farmacéutica y alimentaria también requerirá una nueva forma de pensar en materia regulatoria.
Debido a que los ELM combinan células vivas y, en algunos casos, microorganismos genéticamente modificados, no son materiales vivos en cierto sentido y no encajan perfectamente en los marcos regulatorios existentes diseñados para medicinas tradicionales o alimentos estándar.
En colaboración con el Consejo Europeo de Innovación, el equipo ya está trabajando con los reguladores, incluida la Agencia Europea de Medicamentos, para explorar qué regulaciones y aprobaciones requerirán en última instancia estos materiales.
«Necesitamos llegar a una nueva actitud hacia esta tecnología», afirmó Martinelli. «Esta colaboración ayudará a allanar el camino para el uso de ELM».
Vassalli añadió que ELM podría ser «muy poderoso» si se aplicara ampliamente. «Cuando iniciamos el proyecto, teníamos dos preguntas principales: ¿es factible? y ¿es escalable? Ahora podemos decir que lo es».
El próximo desafío es la escalabilidad. Si el equipo tiene éxito, podría acercarnos un paso más a un futuro en el que los materiales vivos desempeñen un papel además de los materiales tradicionales que ya damos por sentado.
Este artículo fue publicado originalmente en Horizon, Revista de Investigación e Innovación de la UE.
La investigación para este artículo fue financiada parcialmente por el Consejo Europeo de Innovación (EIC).
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