A nova inovação permite aos cientistas criar redes vasculares emaranhadas que imitam as passagens naturais do corpo para sangue, ar, linfa e outros fluidos vitais.
A pesquisa é apresentada na capa da edição desta semana da revista Science. Ela inclui uma prova de princípio visualmente impressionante — um modelo de hidrogel de um saco de ar com imitação de pulmão, no qual as vias respiratórias fornecem oxigênio aos vasos sanguíneos circundantes. Também são relatados experimentos para implantar construções bioimpressas contendo células hepáticas em ratos.
O trabalho foi liderado pelos bioengenheiros Jordan Miller da Rice University e Kelly Stevens da University of Washington (UW) e incluiu 15 colaboradores da Rice, UW, Duke University, Rowan University e Nervous System, uma empresa de design em Somerville, Massachusetts.
“Um dos maiores blocos de estrada para gerar substituições funcionais de tecidos tem sido a nossa incapacidade de imprimir a complexa vasculatura que pode fornecer nutrientes para tecidos densamente povoados”, disse Miller, professor assistente de bioengenharia da Escola de Engenharia Brown de Rice. Além disso, nossos órgãos realmente contêm redes vasculares independentes – como as vias aéreas e os vasos sanguíneos do pulmão ou os dutos biliares e vasos sanguíneos do fígado”. Estas redes interpenetradas estão física e bioquimicamente enredadas, e a própria arquitectura está intimamente relacionada com a função dos tecidos. A nossa é a primeira tecnologia de bioimpressão que aborda o desafio da multivascularização de forma direta e abrangente”
Stevens, professor assistente de bioengenharia na Faculdade de Engenharia da UW, professor assistente de patologia na Faculdade de Medicina da UW, e investigador no Instituto de Medicina da UW para Células-Tronco e Medicina Regenerativa, disse que a multivascularização é importante porque forma e função muitas vezes andam de mãos dadas.
“A engenharia de tecidos tem lutado com isso por uma geração”, disse Stevens. “Com este trabalho podemos agora perguntar melhor, ‘Se podemos imprimir tecidos que parecem e agora até respiram mais como os tecidos saudáveis do nosso corpo, eles também se comportarão funcionalmente mais como esses tecidos’? Esta é uma questão importante, porque o quão bem as funções de um tecido bioimpresso irão afectar o sucesso da terapia”
O objectivo da bioimpressão de órgãos saudáveis e funcionais é impulsionado pela necessidade de transplantes de órgãos. Só nos Estados Unidos, mais de 100.000 pessoas estão em listas de espera para transplantes, e aqueles que eventualmente recebem órgãos de doadores ainda enfrentam uma vida inteira de medicamentos imunossupressores para prevenir a rejeição de órgãos. A bioimpressão tem atraído um interesse intenso durante a última década porque teoricamente poderia abordar ambos os problemas, permitindo aos médicos imprimir órgãos substitutos a partir das células do próprio paciente. Um dia, um suprimento pronto de órgãos funcionais poderia ser implantado para tratar milhões de pacientes em todo o mundo.
“Prevemos que a bioimpressão se torne um componente importante da medicina dentro das próximas duas décadas”, disse Miller.
“O fígado é especialmente interessante porque desempenha 500 funções impressionantes, provavelmente só atrás apenas do cérebro”, disse Stevens. “A complexidade do fígado significa que atualmente não há nenhuma máquina ou terapia que possa substituir todas as suas funções quando ele falha. Para enfrentar esse desafio, a equipe criou uma nova tecnologia de bioimpressão de código aberto, chamada de “aparelho de estereolitografia para engenharia de tecidos”, ou SLATE. O sistema usa fabricação de aditivos para fazer hidrogel macio uma camada por vez.
As camadas são impressas a partir de uma solução líquida pré-hidrogel que se torna um sólido quando exposto à luz azul. Um projetor digital de processamento de luz brilha a luz por baixo, mostrando fatias sequenciais 2D da estrutura em alta resolução, com tamanhos de pixel que variam de 10-50 microns. Com cada camada solidificada por sua vez, um braço superior levanta o crescente gel 3D apenas o suficiente para expor o líquido à próxima imagem do projector. A principal percepção de Miller e Bagrat Grigoryan, um estudante de pós-graduação em arroz e co-autor principal do estudo, foi a adição de corantes alimentares que absorvem a luz azul. Estes fotoabsorventes confinam a solidificação a uma camada muito fina. Desta forma, o sistema pode produzir géis macios, à base de água, biocompatíveis com arquitetura interna intrincada em questão de minutos.
Testes da estrutura de imitação pulmonar mostraram que os tecidos eram robustos o suficiente para evitar a ruptura durante o fluxo sanguíneo e a “respiração pulsátil”, uma entrada e saída rítmica de ar que simulava as pressões e frequências da respiração humana. Os testes mostraram que os glóbulos vermelhos podiam absorver oxigênio enquanto fluíam através de uma rede de vasos sanguíneos em torno do saco de ar “respirável”. Esse movimento de oxigênio é semelhante à troca gasosa que ocorre nos sacos aéreos alveolares do pulmão.
Para projetar a estrutura mais complicada do estudo, que é apresentada na capa da Science, Miller colaborou com as co-autoras do estudo Jessica Rosenkrantz e Jesse Louis-Rosenberg, co-fundadoras do Nervous System.
“Quando fundamos o Nervous System foi com o objetivo de adaptar algoritmos da natureza a novas formas de projetar produtos”, disse Rosenkrantz. “Nunca imaginamos que teríamos a oportunidade de trazer isso de volta e projetar tecidos vivos”.
Nos testes de implantes terapêuticos para doenças hepáticas, a equipe imprimiu tecidos em 3D, carregou-os com células hepáticas primárias e os implantou em camundongos. Os tecidos tinham compartimentos separados para vasos sanguíneos e células hepáticas e foram implantados em camundongos com lesão hepática crónica. Testes mostraram que as células hepáticas sobreviveram ao implante.
Miller disse que o novo sistema de bioimpressão também pode produzir características intravasculares, como válvulas bicúspides que permitem que o fluido flua em apenas uma direção. Em humanos, as válvulas intravasculares são encontradas no coração, veias das pernas e redes complementares como o sistema linfático que não têm bomba para conduzir o fluxo.
“Com a adição de estrutura multivascular e intravascular, estamos introduzindo um extenso conjunto de liberdades de desenho para a engenharia de tecidos vivos”, disse Miller. “Agora temos a liberdade de construir muitas das estruturas intrincadas encontradas no corpo”
Miller e Grigoryan estão comercializando aspectos chave da pesquisa através de uma empresa startup baseada em Houston chamada Volumetric. A empresa, à qual Grigoryan se juntou em tempo integral, está projetando e fabricando bioprinters e bioinks.
Miller, um campeão de longa data de impressão 3D de código aberto, disse que todos os dados originais dos experimentos no estudo publicado Science estão disponíveis gratuitamente. Além disso, todos os arquivos de impressão 3D necessários para construir o aparelho de impressão estereolitográfica estão disponíveis, assim como os arquivos de design para imprimir cada um dos hidrogéis usados no estudo.
“Tornar os arquivos de design de hidrogel disponíveis permitirá que outros explorem nossos esforços aqui, mesmo que eles utilizem alguma tecnologia de impressão 3D futura que não existe hoje”, disse Miller.
Miller disse que seu laboratório já está usando as novas técnicas de design e bioimpressão para explorar estruturas ainda mais complexas.
“Estamos apenas no início da nossa exploração das arquiteturas encontradas no corpo humano”, disse ele. “Ainda temos muito mais a aprender”.
Autores adicionais do estudo incluem Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat e Anderson Ta; Daniel Corbett, Chelsea Fortin e Fredrik Johansson da UW; John Gounley e Amanda Randles da Duke; e Peter Galie da Rowan.
O trabalho foi apoiado pelo Robert J. Kleberg, Jr. e Helen C. Kleberg Foundation, a John H. Tietze Foundation, a National Science Foundation (1728239, 1450681 e 1250104), os Institutos Nacionais de Saúde (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 e DP5OD019876) e os Consórcios da Costa do Golfo.
VIDEO está disponível em:
>https://youtu.be/GqJYMgAcc0Q