El mundo se sorprendió el mes pasado por la demostración de un corazón impreso en el laboratorio del Prof. Tal Dvir de la Universidad de Tel Aviv, pero este no es el único laboratorio en Israel que logra avances asombrosos en ingeniería de tejidos. En realidad, Israel es uno de los países más avanzados del mundo en este sector. Una de las razones por las que el país ha tomado la iniciativa es la ley israelí, que ha permitido realizar juicios con células madre fetales desde la década de 1990, cuando muchos países aún las prohibieron.
El profesor Shulamit Levenberg, decano de la Facultad de Ingeniería Biomédica en el Instituto de Tecnología de Israel (Technion) y responsable del recientemente fundado Centro de Bioimpresión 3D para la Impresión de Células y Biomateriales, es uno de los científicos más importantes del mundo en este campo. Ella ha ganado muchos premios y fue seleccionada por «Scientific American» como uno de los 50 científicos más importantes del mundo.
En 2005, Levenberg escribió el primer artículo que documenta la creación de tejido muscular a partir de células madre fetales, que se implantaron con éxito en ratones. En 2007, fue socia del profesor Lior Gepstein en la creación de tejido cardíaco a partir de células madre humanas. Las células formaron una estructura que parece una esponja, excepto por una característica única: la esponja expandida y contraída a un ritmo constante sin intervención externa: inanimada y viva, natural y artificial.
Hace varios meses, Technion informó sobre un nuevo logro en el laboratorio de Levenberg: la fusión de una columna vertebral cortada en ratas, que restableció sus capacidades de movimiento y sensación en sus piernas. Este logro puede dar esperanza a las personas que han sufrido lesiones en la columna vertebral de que algún día podrán volver a caminar. La fusión se logró implantando tejido de ingeniería a partir de células madre humanas extraídas de las encías.
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«Tengo la esperanza de que realmente podamos ayudar a las personas a caminar de nuevo», dice Levenberg. «Escuché a Yariv Bash, el empresario de Beresheet, que estaba paralizado en un accidente, preguntar: ‘¿Por qué la gente puede traer una nave espacial a la luna, pero no puede reparar dos centímetros en la columna vertebral’, y me dije a mí mismo, «Estamos empezando. Estamos en la dirección correcta». Las ratas están caminando, aunque hay un largo camino por recorrer antes de llegar a la gente, por supuesto».
«Globes»: ¿Cómo reparaste una columna vertebral en ratas?
Levenberg: «Usamos varios métodos. El método que ya se ha publicado es crear andamios 3D en los que sembramos células madre, e implantamos esto directamente en el área lesionada. Este tejido de ingeniería, que se compone de un andamio en disolución con células madre desde las encías, envía señales a las células nerviosas existentes de la columna vertebral que les dicen que crezcan y avancen hacia el área lesionada. Las células nerviosas que se han cortado completamente por lo general no vuelven a crecer y no se conectan, pero las células madre se secretan material que los alentó a hacer esto. Vimos una reconexión que permitió a los animales comenzar a caminar, algo que nunca antes se había visto. El 40% de los animales reanudaron la marcha normal. En ratas, como las personas, no hay regeneración espontánea después de este tipo de lesión.»
¿Por qué es imposible coser una columna vertebral desgarrada?
«La columna vertebral es un sistema nervioso que se extiende desde el cerebro y está conectado al sistema motor de todos los músculos. Hoy en día, no conocemos el principio de organización; tienen que estar conectados de manera independiente. Los vasos sanguíneos pueden estar conectados. conectados, los músculos se pueden sembrar, pero esto no se puede hacer con la columna vertebral; no funcionará si no sucede por sí solo».
¿Cuándo veremos este desarrollo en ensayos clínicos en humanos?
«Tomará tiempo, pero también estamos desarrollando métodos menos invasivos que posiblemente puedan aplicarse más rápidamente a los seres humanos».
Hace unos años, «Globes» entrevistó a un científico italiano que quería llevar a cabo un ensayo de trasplante de la cabeza de una persona en otra persona. ¿Crees que un trasplante de cabeza será posible en el futuro?
«Una cabeza es un órgano. Es un tejido. En principio, no hay nada que impida que el tejido esté conectado, pero la principal limitación es el cerebro: cómo hacer que el sistema nervioso central se conecte con el resto del cuerpo. Esto no está claro.»
¿Cuáles son las posibilidades de que podamos desarrollar tejido desde el principio que estará vivo? Si es posible construir órganos, ¿por qué es imposible producir una nueva vida?
«No hay necesidad de eso, y también estamos muy lejos de esto».
Los vasos sanguíneos saben en qué dirección crecer.
Levenberg dice que en la década de 1990, cuando comenzó a estudiar, quería estudiar ingeniería médica, pero no existía tal programa de licenciatura, así que comenzó a estudiar biología en el Instituto Weizmann. «Fui tan lejos como un doctorado en biología celular», dice ella. Conoció a la profesora Judah Folkman cuando dio una conferencia en el Instituto Weizmann sobre el desarrollo de un medicamento contra el cáncer basado en el bloqueo de la actividad de los vasos sanguíneos. Esa reunión y una historia periodística sobre el nuevo campo de la ingeniería de órganos encendieron su deseo de comprender cómo se organiza el tejido humano.
«Folkman investigó cómo el tejido crea una red de vasos sanguíneos que le da una cantidad de flujo sanguíneo ajustada con precisión al tamaño del tejido y que se distribuye de manera óptima en todo el tejido. Este mecanismo realmente me emocionó. Me dije a mí mismo: ‘Me gustaría entender cómo se hace esto, para que pueda imitarlo. A veces, una frase pronunciada por una persona influye en la dirección de la vida de otra persona. Así es como empecé a tratar con la ingeniería de tejidos, con énfasis en los vasos sanguíneos. Dejé la biología por ingeniería médica, que es multidisciplinaria'».
Levenberg se especializó en el campo y se unió al laboratorio del Prof. Robert Langer («Magical Bob», una entrevista en un periódico que se publicó recientemente) en el MIT. Juntos, desarrollaron el primer músculo diseñado que contiene vasos sanguíneos.
El campo de la ingeniería de tejidos ha experimentado varias etapas de desarrollo. «Primero fue necesario hacer que las células se reprodujeran y se diferenciaran, de modo que produjeran tejido complejo a partir de un tipo específico de célula, pero eso fue solo el comienzo, ya que solo eran superficies celulares uniformes», explica Levenberg. «El siguiente paso fue abordar la estructura del tejido 3D. Hoy, estamos tratando de construir tejido de la manera que realmente es, de diferentes tipos de células y con una arquitectura precisa, como un órgano real».
El laboratorio de Levenberg ahora enfatiza la integración de los vasos sanguíneos en el tejido complejo. «Descubrimos que cuando construimos tejido con los vasos sanguíneos que ya están dentro, se integra mejor en el cuerpo y se conecta mejor con los vasos sanguíneos existentes. En el artículo más reciente, mostramos que el flujo de sangre en estos tejidos es mejor y menos Se forman coágulos de sangre», dice ella.
Los vasos sanguíneos incluidos en el tejido también cambiarán la direccionalidad. «Si estiramos el tejido, algo en la potencia mecánica aplicada a los vasos sanguíneos hace que sus células apunten en la misma dirección, y los tubos de los vasos sanguíneos apuntan en la dirección del estiramiento. Es emocionante ver que las células responden a la señal de que es mecánico, no químico o eléctrico. Si los estiramos en otra dirección unos días más tarde, todo este tubo simplemente girará y comenzará a crecer en un ángulo de 90 grados desde la dirección del crecimiento anterior».
¿En qué órganos tienen que ser direccionales los vasos sanguíneos?
«En el tejido muscular, los vasos sanguíneos se enderezan en la direccionalidad de la fibra muscular, y eso también se aplica al músculo cardíaco y a la columna vertebral».
Levenberg subraya que también hay muchos desafíos en este aspecto. «A medida que avanzamos hacia animales más grandes, por ejemplo, en la transición de ratas a seres humanos, los tejidos se vuelven más grandes y se hacen más grandes los vasos sanguíneos, una variedad más amplia de vasos sanguíneos y una jerarquía más compleja de células sanguíneas de diversos tamaños. La impresión 3D puede hacer posible producir dicho tejido tan pronto como entendamos su composición exacta».
Incluso ahora, después de muchos años de investigación, Levenberg considera que la capacidad del tejido para organizarse de forma independiente en su estructura compleja en un cuerpo es uno de los fenómenos más impresionantes de la naturaleza. «No sabemos exactamente qué mecanismo dicta la organización. Sabemos que hay enfermedades en las que el mecanismo de organización está dañado. Por ejemplo, lo ves en ciertas enfermedades de la piel. Vemos menos regeneración de tejidos entre las personas mayores, y también crecimiento incorrecto de los vasos sanguíneos. Si los vasos sanguíneos no funcionan bien, el tejido tampoco puede funcionar. Si supiéramos exactamente qué es lo que da a las células la señal de organización, podría ser posible intervenir en algunos de estos procesos de envejecimiento celular.»
Células del páncreas en lugar de una inyección de insulina.
Una de las áreas calientes en la ingeniería de tejidos es la creación de un páncreas artificial. Hoy en día, los pacientes con diabetes son en sí mismos un «páncreas artificial». Asumen la función de la célula que secreta la insulina: sienten el nivel de azúcar en la sangre en el torrente sanguíneo, deciden cuánta insulina se necesita para mantener el equilibrio e inyectándola. Este proceso es muy difícil para el cerebro humano. Para una célula del páncreas, el proceso es simple. Es probable que la creación de un páncreas alternativo mejore mucho la situación.
La creación de un páncreas artificial no requiere necesariamente la extirpación de todo el páncreas y el trasplante de otro en su lugar. Es suficiente para trasplantar células de páncreas de cierto tipo que son capaces de sentir azúcar y secretar insulina de debajo de la piel, donde están conectadas a la corriente sanguínea. ¿Cómo pueden mantenerse vivas estas células? En los métodos actuales, están dañados por el sistema inmunológico o por la falta de oxígeno.
En el laboratorio de Levenberg, con fondos de la Unión Europea, los investigadores están trabajando en la impresión 3D del tejido del páncreas. «Nuestras células provienen del páncreas, junto con células nuevas. Si el tejido se trasplanta en un entorno que contiene muchas células sanguíneas, y si nuestro tejido está bien conectado a los vasos sanguíneos existentes, puede funcionar bien», dice Levenberg.
Hasta ahora, los implantes de células del páncreas no estaban conectados lo suficientemente rápido al suministro de sangre del cuerpo, y muchas de las células deseables murieron antes de que el tejido comenzara a funcionar. «Creemos que si los implantamos junto con el ambiente nutritivo, más células sobrevivirán», dice Levenberg.
¿Hay alguna barrera religiosa para intervenir en el cuerpo humano? Realmente estás interviniendo en la creación.
«Al contrario. Creo que estamos obligados a estudiar y comprender el mundo, y esto nos acercará al creador a través de una comprensión de la complejidad del mundo que él creó. Tenemos la obligación de mejorar el mundo, desarrollarlo y preservarlo. Este es un elemento muy importante en el judaísmo, por lo que no hay contradicción; hay una conexión».
Un sabor de un órgano de ingeniería.
Además de los órganos de ingeniería para la medicina y los trasplantes, las ideas de Levenberg también se están utilizando para desarrollar tejido de carne cultivada para la alimentación. «Para mí, este es un efecto secundario positivo de nuestra investigación sobre la construcción de órganos. La idea vino de mi estudiante de doctorado, para quien era importante desde una edad temprana. Comenzó el trabajo de laboratorio en esta área.»
«Creamos tejido que contiene las células musculares y otras células del tejido muscular que se ve exactamente como un filete similar al tejido, en contraste con la hamburguesa clonada que ahora existe, que contiene un tipo de tejido, sin crear la estructura tisular del músculo. El tejido puede ser tan similar a un bistec que una persona que lo coma no podrá notar la diferencia».
Comer bistec cultivado en lugar de tejido vivo no solo es más moral, sino también más saludable. Potencialmente, «este producto, que se cultiva en un laboratorio, está limpio, libre de enfermedades y sin antibióticos. Se puede usar menos aceite para prepararlo», dice Levenberg. Este desarrollo está siendo comercializado por una compañía llamada Aleph Farm, que forma parte de la incubadora de alimentos y tecnología «The Kitchen».
Impresión de órganos: precisión 0,001 milímetros.
Hace un mes, Technion anunció la fundación del Centro 3-D de Bioimpresión para la impresión de células y biomateriales, encabezado por Levenberg, en la Facultad de Ingeniería Biomédica. El centro está abierto a todos los investigadores de la institución.
El centro tiene una impresora 3D, que Dvir y sus estudiantes usaban para imprimir el corazón vivo. Las impresoras 3D para imprimir tejidos de animales se alimentan de imágenes desde un escáner. Las impresoras no solo pueden imprimir órganos con gran precisión; también pueden potencialmente ajustarlos perfectamente al cuerpo de un paciente específico.
Debido al nivel de precisión necesario, la impresora debe estar equipada con motores muy precisos que se mueven a velocidades cambiantes con una precisión de 0,001 milímetros, más una cámara que mejore la precisión de la aguja de la impresora. Los cabezales de tinta de la impresora deben ser capaces de liberar una variedad de materiales a diferentes temperaturas y diferentes niveles de viscosidad, y estas impresoras, por lo tanto, incluyen varios cabezales, cada uno de los cuales es responsable de diferentes tipos de material. La impresión se realiza directamente en una placa de Petri o las celdas se imprimen en un andamio 3D.