Artículo de Rheolution
¿Qué es la Bioimpresión 4D y su importancia en biomedicina?
por el Dr. Antoine Frayssinet
especialista sénior en aplicaciones de Rheolution Inc.
¿En qué se diferencia la bioimpresión 4D de la impresión 3D?
Los objetos impresos en 3D y sembrados con células, destinados a implantarse en el cuerpo humano, están diseñados para paliar puntualmente una degeneración o enfermedad concreta. Sin embargo, esos implantes son estáticos e inanimados, a diferencia del entorno de los tejidos nativos, que es dinámico y en el que los tejidos se ven sometidos a lo largo del tiempo a estímulos biofísicos, bioquímicos y mecánicos variables. Con la bioimpresión 4D, la comunidad científica ha incorporado recientemente el «tiempo» como cuarta dimensión: los andamios y los hidrogeles tienen la capacidad de evolucionar con el tiempo tras su impresión, ya sea de forma biológica o mediante la aplicación de un estímulo externo.
¿Cómo provocan los estímulos el cambio de forma en los biomateriales 4D?
En primer lugar, se puede provocar un cambio de forma tras la impresión sometiendo el hidrogel a estímulos físicos, como un campo magnético, un cambio de temperatura (por ejemplo, con poli(N-isopropilacrilamida) (PNIPAAm) o poli(ε-caprolactona) (PCL)), la irradiación con luz o la humedad (por ejemplo, con polietilenglicol (PEG) de doble capa). El artículo del mes de la semana pasada sobre bioimpresión 4D presentaba un ejemplo concreto de un hidrogel a base de alginato, sensible a la luz y capaz de adoptar formas complejas dependiendo de la exposición a la luz tras la impresión. La complejidad de las formas diseñadas puede ser bastante impresionante; por ejemplo, el equipo del Dr. Lewis utilizó fibrillas de celulosa mezcladas con acrilamida para reproducir el diseño de una flor de orquídea con tinta compuesta biocompatible (figura de abajo) [3]. Así, estos hidrogeles extruidos a granel pueden cambiar de forma tras su impresión. Sin embargo, el efecto deseado tras la impresión puede ser diferente.
¿Cómo puede la bioimpresión 4D permitir la administración controlada de fármacos?
La forma se puede diseñar durante el proceso de impresión con un enfoque multiescala, por ejemplo, mediante bioimpresión por inyección de tinta, y la liberación de los fármacos encapsulados se puede activar posteriormente. Por ejemplo, se imprimieron liposomas —microesferas lipídicas de doble capa que imitan sintéticamente las membranas celulares— que contenían dos concentraciones diferentes de sal. Aprovechando este gradiente de osmolaridad inducido, los autores lograron dar forma a macroesferas 3D que, ante un cambio de temperatura o de pH, podían liberar los componentes cargados en el interior de cada microesfera impresa [4].
¿Qué son los micronadadores y cómo funcionan?
Otro grupo de la ETH de Zúrich ha diseñado nanohidrogeles con gelatina metacrilada (GelMA) fotocrosslinkable y no citotóxica. Desarrollados específicamente para la administración dirigida de fármacos, estos nanohidrogeles, también llamados «micronadadores», se hicieron sensibles al campo magnético recubriendo su superficie con nanopartículas magnéticas [5]. Impresos con forma de hélice para optimizar su capacidad de natación en los fluidos corporales, estos «micronadadores» son portadores de fármacos estables que pueden dirigirse mediante campos magnéticos hacia los tejidos diana. Una vez en su posición, pueden liberar el fármaco con el que se han cargado y, a continuación, degradarse rápidamente (entre 5 y 15 minutos) mediante colagenasa (una enzima que digiere el colágeno y la gelatina), dejando residuos de degradación no citotóxicos. En este caso, la cuarta dimensión se expresa como la degradación enzimática del gel en un breve periodo de tiempo.
¿Cómo influyen los desencadenantes biológicos en los biomateriales 4D?
De hecho, señales biológicas como la concentración de glucosa o ciertas enzimas pueden influir en los hidrogeles impresos. Un estudio conjunto de la Universidad de Carolina del Norte (EE. UU.) y la Universidad de Soochow (China) publicó en 2018 un biomaterial a base de alcohol polivinílico (PVA) sensible a las especies reactivas del oxígeno (ROS), que se producen de forma biológica en los microentornos tumorales. Gracias a esta biodegradación controlada, el hidrogel a base de PVA fue capaz de potenciar la respuesta antitumoral in vivo y prevenir la recurrencia del tumor al administrar localmente el fármaco antitumoral, antes de degradarse al cabo de tres semanas [6]. Siguiendo el mismo principio, los biomateriales sensibles al pH, como el colágeno, la gelatina y la queratina, podrían resultar útiles cerca de las zonas inflamadas, donde los valores de pH bajan.
¿Cómo impulsan las células la maduración 4D de los hidrogeles?
La funcionalidad de los hidrogeles regenerativos también se puede desarrollar progresivamente a medida que madura el propio andamio, donde las células sembradas, al responder a su entorno, actuarán como una microfábrica para producir sus propias matrices y perfiles fenotípicos, adaptados al tejido degenerado al que van dirigidos (véase la figura de arriba). La naturaleza de esta microproducción se puede ajustar mediante factores de crecimiento, factores de diferenciación (en el caso de células madre sembradas) o, por ejemplo, con las propiedades mecánicas del implante [7]. Tener en cuenta esta actividad celular al desarrollar un biomaterial para uso clínico no está reñido con la propia estimulación del biomaterial tras su impresión. Siguiendo una técnica de origami, Kuribayashi-Shigetomi y otros lograron aprovechar la fuerza de tracción de los fibroblastos (células fusiformes comunes) para generar microestructuras 3D complejas, como un cubo, una esfera o un tubo hueco. En este caso, las células se sembraron en microplacas de vidrio parcialmente recubiertas de fibronectina. La cuarta dimensión se introdujo gracias a la capacidad de estas células para tirar de su entorno con el paso del tiempo, lo que se utilizó para diseñar andamios 3D [8].
Aplicaciones en la vida real: stents y apósitos inteligentes
En los últimos años, se han estudiado biomateriales bioimpresos en 4D para desarrollar stents —una estructura hueca que se coloca, por ejemplo, en una arteria o una vena, para reforzar su estructura—. El médico puede introducir fácilmente el stent enrollado dentro del tejido humano y, a continuación, mediante un estímulo específico, desplegarlo para que sostenga el vaso sanguíneo de forma eficaz. Se han conseguido diseños exitosos con un biomaterial a base de PEG metacrilado, alginato o ácido hialurónico [9][10]. Para terminar esta breve reseña con una última aplicación, el equipo del Dr. Akbari en Canadá también desarrolló un apósito inteligente: este detecta infecciones bacterianas controlando el valor del pH (mediante una pantalla exterior con colores específicos, marcadores visuales que dependen del pH medido). Una vez detectada la infección, el hidrogel impreso libera agentes antibióticos en la zona de la herida para contrarrestarla [11].
¿Qué nos depara el futuro de la bioimpresión 4D en las ciencias de la vida?
Con sus numerosas aplicaciones, la bioimpresión 4D es una tecnología muy prometedora para el ámbito biomédico. Todavía quedan retos por superar, como controlar la alineación celular para poder imitar con mayor precisión los tejidos naturales. En el estudio que presentamos en nuestro… se describió un ejemplo de alineación celular microanisotrópica. Artículo del mes publicado en marzo. Otro reto importante es desarrollar biotintas con características adecuadas para el tejido degenerado al que van dirigidas, en cuanto a propiedades mecánicas, población celular y fenotipo, así como a la naturaleza y complejidad de la matriz extracelular. En general, utilizando los diferentes procesos de bioimpresión 3D que presentamos en nuestro último Artículo de Rheolution En abril, la bioimpresión 4D avanza con optimismo desde los estudios de «prueba de concepto» hacia las aplicaciones clínicas.
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Referencias
[1] Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y., Xu, F., (2016). 4D Bioprinting for Biomedical Applications. Trends Biotechnology, Special Issue: Biofabrication, 34, 746–756.
[2] Yang, Q., Gao, B., Xu, F., (2020). Recent Advances in 4D Bioprinting. Biotechnology Journal, 15, 1900086.
[3] Sydney Gladman, A., Matsumoto, E.A., Nuzzo, R.G., Mahadevan, L., Lewis, J.A., (2016). Biomimetic 4D printing. Nature Materials, 15, 413–418.
[4] Villar, G., Graham, A.D., Bayley, H., (2013). A Tissue-Like Printed Material. Science, 340, 48–52.
[5] Wang, X., Qin, X.-H., Hu, C., Terzopoulou, A., Chen, X.-Z., Huang, T.-Y., Maniura-Weber, K., Pané, S., Nelson, B.J., (2018). 3D Printed Enzymatically Biodegradable Soft Helical Microswimmers. Advanced Functional Materials, 28, 1804107.
[6] Wang, C., Wang, J., Zhang, X., Yu, S., Wen, D., Hu, Q., Ye, Y., Bomba, H., Hu, X., Liu, Z., Dotti, G., Gu, Z., (2018). In situ formed reactive oxygen species-responsive scaffold with gemcitabine and checkpoint inhibitor for combination therapy. Science Translational Medicine, 10(429), eaan3682.
[7] Engler, A.J., Sen, S., Sweeney, H.L., Discher, D.E., (2006). Matrix Elasticity Directs Stem Cell Lineage Specification. Cell, 126, 677–689.
[8] Kuribayashi-Shigetomi, K., Onoe, H., Takeuchi, S., (2012). Cell Origami: Self-Folding of Three-Dimensional Cell-Laden Microstructures Driven by Cell Traction Force. PLOS ONE, 7, e51085.
[9] Ge, Q., Sakhaei, A.H., Lee, H., Dunn, C.K., Fang, N.X., Dunn, M.L., (2016). Multimaterial 4D Printing with Tailorable Shape Memory Polymers. Scientific Reports, 6, 31110.
[10] Kirillova, A., Maxson, R., Stoychev, G., Gomillion, C.T., Ionov, L., (2017). 4D Biofabrication Using Shape-Morphing Hydrogels. Advanced Materials, 29(46).
[11] Mirani, B., Pagan, E., Currie, B., Siddiqui, M.A., Hosseinzadeh, R., Mostafalu, P., Zhang, Y.S., Ghahary, A., Akbari, M., (2017). An Advanced Multifunctional Hydrogel-Based Dressing for Wound Monitoring and Drug Delivery. Advanced Healthcare Materials, 6(19).
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