Descubriendo el futuro de la piel artificial: el papel de la bioimpresión 3D

Hidrogeles de piel artificiales de bioimpresión 3D

Autora: Michellie Hernandez, MD con la ayuda de ChatGPT

Publicado: 03 de Abril, 2024

La piel humana, el órgano más grande de nuestro cuerpo, es una maravilla de la ingeniería biológica, que comprende varias capas y componentes que trabajan en armonía para protegernos de la radiación, los patógenos y los productos químicos. Desde la epidermis más externa hasta la dermis y la hipodermis más profundas, cada capa desempeña un papel vital en el mantenimiento de la integridad de la piel, la regulación de la temperatura y la facilitación de la percepción sensorial. Sin embargo, cuando la piel se daña debido a una lesión, quemaduras o enfermedad, restaurar su función y apariencia puede ser un desafío importante. Los injertos de piel tradicionales y los enfoques de ingeniería de tejidos han logrado avances en esta área, pero los avances en la bioimpresión 3D están abriendo nuevas fronteras en la bio fabricación de piel artificial. "La bioimpresión tridimensional (3D) puede depositar biomateriales o biotintas para crear andamios, esferoides, gránulos celulares y microportadores de una manera controlable y reproducible (Sun et. al 2022)". Con la ayuda de la Inteligencia Artificial para ayudar a diseñar los andamios de bioimpresión 3D y evaluar y optimizar el proceso y los biomateriales, la bioimpresión 3D parece estar ganando terreno en la investigación multidisciplinaria.

Comprendiendo la piel humana: un modelo para la bioimpresión 3D

Antes de profundizar en el potencial de la bioimpresión 3D, es esencial comprender la intrincada arquitectura de la piel humana y cómo se puede replicar en construcciones biomiméticas artificiales. La piel consta de tres capas principales:

1. Epidermis: la capa más externa de la piel, la epidermis, sirve como barrera protectora contra las agresiones ambientales y los patógenos. Está compuesto principalmente por queratinocitos, que se renuevan y diferencian constantemente a medida que migran desde la capa basal dentro de la epidermis a la capa superficial que consiste principalmente en queratinocitos muertos. Además, la epidermis contiene melanocitos, encargados de producir melanina que nos protege de la radiación ultravioleta (UVR), y las células de Langerhans, cuales son parte de los mecanismos de defensa del sistema inmunológico como células dendríticas especializadas esenciales tanto para el sistema inmunológico innato como para el adaptativo (Clayton et. al 2017).

1. Dermis: Debajo de la epidermis se encuentra la dermis, una capa de tejido conectivo rica en fibras de colágeno y elastina. La dermis proporciona soporte estructural, elasticidad y nutrición a la epidermis. Alberga vasos sanguíneos, terminaciones nerviosas, folículos pilosos y glándulas sudoríparas, lo que contribuye a la termorregulación y la percepción sensorial (Brown et al. 2018).
   

2. Hipodermis: También conocida como tejido subcutáneo, la hipodermis es la capa más profunda de la piel, compuesta principalmente por tejido adiposo. Sirve como aislamiento, amortigua las estructuras subyacentes y almacena reservas de energía (Kim et. al 2023).

Incorporar la compleja estructura y funcionalidad de la piel humana en construcciones artificiales es una tarea formidable. Sin embargo, la bioimpresión 3D ofrece una solución prometedora al permitir la deposición precisa de células, biomateriales y factores bioactivos para crear sustitutos de tejidos biomiméticos.

Aprovechamiento de la bioimpresión 3D para la fabricación de piel artificial

Los principios de la bioimpresión 3D implican la deposición de una capa por capa de biomateriales y células para fabricar construcciones de tejido tridimensionales. En el contexto de la piel artificial, las técnicas de bioimpresión pueden adaptarse para replicar la organización jerárquica de la piel natural e incorporar tipos de células claves, los factores de crecimiento y los componentes de la matriz extracelular.

1. Personalización: una de las posibles ventajas significativas de la bioimpresión 3D es su capacidad de personalizar construcciones de la piel artificial para satisfacer las necesidades individuales de los pacientes. Al combinar datos específicos del paciente, como el grosor, el color y la textura de la piel, con imágenes avanzadas y tecnologías de diseño y la fabricación asistidos por computadora (CAD/CAM) y la inteligencia artificial, los investigadores pueden potencialmente diseñar sustitutos de la piel personalizados con características anatómicas precisas (Tanveer et al 2023).
   

2. Composición celular: Los sustitutos artificiales de la piel deben contener los tipos de células adecuadas para imitar la funcionalidad de la piel nativa. Los queratinocitos, fibroblastos, melanocitos y células endoteliales se encuentran entre las poblaciones de células clave que pueden incorporarse en construcciones bioimpresas para promover la regeneración epidérmica, la síntesis de colágeno, la pigmentación y la vascularización, respectivamente.
   

3. Selección de biomateriales: la elección de biomateriales juega un papel fundamental en el rendimiento y la biocompatibilidad de las construcciones de la piel bioimpresas. Los polímeros naturales, como el colágeno, la fibrina y el ácido hialurónico, ofrecen una excelente biocompatibilidad e imitan la matriz extracelular de la piel nativa. Los polímeros sintéticos, como la policaprolactona (PCL) y el polietilenglicol (PEG), brindan soporte mecánico e integridad estructural a los andamios impresos. Pero la investigación en curso en materiales naturales sobre formulaciones de biotintas para bioimpresión 3D, como la celulosa (Wan et. al 2022), puede ser un sustituto prometedor de los polímeros sintéticos para soporte mecánico y ofrece varias ventajas, incluida una mayor biocompatibilidad, bioactividad y potencial de integración con el tejido del huésped. Los biomateriales derivados de la placenta también son un campo prometedor en la investigación para el cuidado de heridas, donde la placenta se somete a un proceso de descelularización, seguido por técnicas de preservación y cultivo de biomateriales de láminas, suero y células de soporte (Protzman et. al 2023). Los miembros de la facultad del Instituto Wyss, Jennifer Lewis, Sc.D., y Christopher Chen, M.D., Ph.D. y además un equipo multidisciplinario del instituto, cuentan con un departamento de ingeniería de órganos con bioimpresión 3D e investigación de células madre que en 2017 diseñó con éxito tejidos vascularizados 3D perfusibles, un paso clave del proceso de ingeniería de órganos. Aún no se han realizado investigaciones en curso sobre la bioimpresión de la matriz extracelular de un órgano y las células especializadas que proporcionan las funciones esenciales del órgano. La estratificación estable es un desafío importante en la bioimpresión. La estratificación estable se refiere a la capacidad de depositar capas sucesivas de biotinta o biomateriales durante el proceso de la bioimpresión sin comprometer la integridad estructural de la construcción impresa. Dado que la microgravedad puede estabilizar el biomaterial, "realizar la bioimpresión en el espacio, donde la gravedad es cero [o de microgravedad en la Estación Espacial Internacional (ISS)], puede abrir nuevas fronteras en la ingeniería de tejidos (Misagh et. al 2023)".

4. Vascularización: uno de los desafíos clave en la creación de piel artificial funcional es la incorporación de redes vasculares para apoyar la entrega de nutrientes y la eliminación de desechos. Las técnicas de bioimpresión, como la impresión de sacrificio y la extrusión coaxial, facilitan la angiogénesis o la formación de vasos sanguíneos asegurando la viabilidad del tejido biomimético. La técnica de extrusión coaxial dispensa simultáneamente dos o más biotintas u otros biomateriales dispuestos concéntricamente en un solo filamento. Mientras que la técnica de impresión sacrificial consta de 4 pasos: (1) la conversión de biomateriales o biotintas a microcanales, (2) el desarrollo de un bloque de tejido mediante el colado de hidrogel con células sobre microfibras, (3) la eliminación de la plantilla y (4) la inserción de células endoteliales dentro de los microcanales (Zhang et. al 2018).
   

Desafíos y perspectivas futuras

Si bien la bioimpresión 3D es inmensamente prometedora para la biofabricación de piel artificial, aún quedan varios desafíos por abordar. Lograr una vascularización suficiente, optimizar la viabilidad y funcionalidad de las células y garantizar la aprobación regulatoria se encuentran entre los principales obstáculos que enfrentan los investigadores en este campo. Además, aumentar la producción y reducir los costos de fabricación son esenciales para la adopción generalizada de sustitutos de la piel bioimpresos en la práctica clínica.

A pesar de estos desafíos, no se puede subestimar el potencial de la bioimpresión 3D para revolucionar la fabricación de piel artificial. Aprovechando la precisión y versatilidad de las tecnologías de bioimpresión, los investigadores están preparados para desarrollar sustitutos de la piel de próxima generación que ofrezcan una mejor estética, funcionalidad y resultados para los pacientes. A medida que los avances en biomateriales, biotintas y técnicas de impresión continúan evolucionando, el futuro de la piel artificial parece más brillante que nunca.

En conclusión, la bioimpresión 3D representa un enfoque innovador para la biofabricación de la piel artificial, que ofrece un control sin precedentes sobre la arquitectura de los tejidos y la composición celular. Al replicar la compleja estructura y funcionalidad de la piel nativa, las construcciones bioimpresas tienen el potencial de transformar la curación de heridas, la medicina regenerativa y la cirugía estética, allanando el camino para una nueva era de atención médica personalizada. Propongo considerar la posibilidad de asociarnos con salas de maternidad para aprovechar los tejidos de placentas para la producción de biomateriales derivados de placentas. De este modo, se puede mejorar la costo-eficiencia de la piel artificial y potencialmente reducir los costos generales en comparación con los métodos tradicionales de impresión 3D. Idealmente, se podría crear una capa de soporte protectora a partir de un andamio derivado de láminas de biomaterial de la placenta o un hidrogel a base de celulosa, cuyo diseño fue elaborado por IA mediante el análisis biomimético de la matriz extracelular de la placenta. Esto serviría como piel artificial temporal. Junto con una capa inferior de hidrogel regenerativo que contiene factor estimulante de colonias de granulocitos/macrófagos humanos recombinantes, el objetivo sería facilitar la recuperación de la propia piel del paciente siempre que sea posible. Dado que la bioimpresión 3D en microgravedad también parece ser una combinación prometedora, es esencial mejorar la velocidad de la bioimpresión 3D para desarrollar así eficazmente un laboratorio de ingeniería de tejidos equipado con una bioimpresora 3D situada en un entorno de microgravedad artificial aquí en la Tierra durante los vuelos parabólicos de la NASA que ofrezca efectos de microgravedad durante 24 segundos. También espero leer más en el futuro sobre las investigaciones en curso de la combinación de centrífugas de alta velocidad que potencialmente simulan un entorno de microgravedad al nivel del mar en la Tierra y la bioimpresión 3D dentro de un biorreactor de recipiente de pared giratoria (Zhang et. al 2021).

References:

1. Sun, Jie, et al. “Machine Learning Applications in Scaffold Based Bioprinting.” Materials Today: Proceedings, vol. 70, 2022, pp. 17–23, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.08.485.

2. Clayton K, Vallejo AF, Davies J, Sirvent S, Polak ME. Langerhans Cells—Programmed by the Epidermis. Frontiers in Immunology. 2017;8(1676). doi:https://doi.org/10.3389/fimmu.2017.01676

3. Brown TM, Krishnamurthy K. Histology, Dermis. Nih.gov. Published December 6, 2018. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK535346/

4. Kim JY, Dao H. Physiology, Integument. PubMed. Published May 1, 2023. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK554386/

5. Tanveer W, Ridwan-Pramana A, Molinero-Mourelle P, Tymour Forouzanfar. Applications of CAD/CAM Technology for Craniofacial Implants Placement and Manufacturing of Auricular Prostheses—Systematic Review. Journal of Clinical Medicine. 2023;12(18):5950-5950. doi:https://doi.org/10.3390/jcm12185950

6. Wan Jusoh WNL, Sajab MS, Mohamed Abdul P, Kaco H. Recent Advances in 3D Bioprinting: A Review of Cellulose-Based Biomaterials Ink. Polymers. 2022;14(11):2260. doi:https://doi.org/10.3390/polym14112260

7. Protzman NM, Mao Y, Long D, et al. Placental-Derived Biomaterials and Their Application to Wound Healing: A Review. Bioengineering. 2023;10(7):829-829. doi:https://doi.org/10.3390/bioengineering10070829

8. A vision of 3D Organ Engineering. Wyss Institute. Published December 15, 2017. https://wyss.harvard.edu/news/a-vision-of-3d-organ-engineering/

9. Misagh Rezapour Sarabi, Yetisen AK, Savas Tasoglu. Bioprinting in Microgravity. ACS Biomaterials Science & Engineering. 2023;9(6):3074-3083. doi:https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.3c00195

10. Zhang YS, Oklu R, Dokmeci MR, Khademhosseini A. Three-Dimensional Bioprinting Strategies for Tissue Engineering. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 2017;8(2):a025718. doi:https://doi.org/10.1101/cshperspect.a025718

11. 3D Bioprinting - NASA. Published December 20, 2023. Accessed April 3, 2024. https://www.nasa.gov/missions/station/iss-research/3d-bioprinting/

12. Zhang J, Wehrle E, Rubert M, Müller R. 3D Bioprinting of Human Tissues: Biofabrication, Bioinks, and Bioreactors. International Journal of Molecular Sciences. 2021;22(8):3971. doi:https://doi.org/10.3390/ijms22083971