Desarrollan un método de impresión 3D prometedor para reparar lesiones cerebrales

El equipo científico ha demostrado por primera vez que las células neuronales pueden imprimirse en 3D para imitar la arquitectura de la corteza cerebral, según los resultados de un estudio publicado esta semana en la revista Nature Communications. Las lesiones cerebrales, incluidas las causadas por traumatismos, derrames y cirugía de tumores, suelen provocar daños importantes en la corteza cerebral (la capa externa del cerebro humano), con las consiguientes dificultades cognitivas, de movimiento y de comunicación.

Cada año, unos 70 millones de personas en todo el mundo sufren traumatismos craneoencefálicos (TCE), de los cuales 5 millones son graves o mortales. En la actualidad, no existen tratamientos eficaces para las lesiones cerebrales graves, lo que tiene un gran impacto en la calidad de vida de los afectados.

Las terapias regenerativas tisulares, especialmente aquellas en las que los pacientes reciben implantes derivados de sus propias células madre, podrían ser una vía prometedora para tratar lesiones cerebrales en el futuro. Sin embargo, hasta ahora no existía ningún método que garantizara que las células madre implantadas imitaran la arquitectura del cerebro.

En este nuevo estudio, los investigadores de la Universidad de Oxford fabricaron un tejido cerebral de dos capas mediante la impresión en 3D de células madre neurales humanas. Cuando se implantaron en cortes cerebrales de ratón, las células mostraron una integración estructural y funcional convincente con el tejido huésped.

Células madre para la reparación de tejidos

La estructura cortical se fabricó a partir de células madre pluripotentes inducidas humanas (hiPSC), que tienen el potencial de producir los tipos celulares que se encuentran en la mayoría de los tejidos humanos.

Una ventaja clave del uso de hiPSC para la reparación de tejidos es que pueden derivarse fácilmente de células extraídas de los propios pacientes y, por tanto, no desencadenarían una respuesta inmunitaria.

Las hiPSC se diferenciaron en células progenitoras neurales para dos capas distintas de la corteza cerebral, utilizando combinaciones específicas de factores de crecimiento y sustancias químicas.

A continuación, las células se suspendieron en una solución para generar dos bioenlaces, que luego se imprimieron para producir una estructura de dos capas. En cultivo, los tejidos impresos mantuvieron su arquitectura celular en capas durante semanas, como indica la expresión de biomarcadores específicos de cada capa.

Cuando los tejidos impresos se implantaron en cortes de cerebro de ratón, mostraron una fuerte integración, demostrada por la proyección de procesos neuronales y la migración de neuronas a través del límite implante-huésped. Las células implantadas también mostraron una actividad de señalización correlacionada con la de las células huésped. Esto indica que las células humanas y de ratón se comunicaban entre sí, demostrando una integración tanto funcional como estructural.

Potencial para reparar lesiones cerebrales y para la evaluación de fármacos

Los investigadores se proponen ahora perfeccionar la técnica de impresión por gotas para crear cortezas cerebrales complejas de múltiples capas que imiten con mayor realismo la arquitectura del cerebro humano.

Además de su potencial para reparar lesiones cerebrales, estos tejidos de ingeniería podrían utilizarse en la evaluación de fármacos, estudios del desarrollo cerebral y para mejorar nuestra comprensión de las bases de la cognición.

El nuevo avance se basa en la larga trayectoria del equipo en la invención y patente de tecnologías de impresión 3D de tejidos sintéticos y células cultivadas.

La Dra. Linna Zhou, del Departamento de Química de la Universidad de Oxford y autora principal del trabajo, explica: “Nuestra técnica de impresión por gotas permite diseñar tejidos vivos en 3D con las arquitecturas deseadas, lo que nos acerca a la creación de tratamientos personalizados de implantación para lesiones cerebrales”.

Mientras, el profesor asociado Francis Szele, del Departamento de Fisiología, Anatomía y Genética de la Universidad de Oxford y autor principal del estudio, añade: “El uso de cortes de cerebro in vivo crea una plataforma poderosa para estudiar la utilidad de la impresión 3D en la reparación cerebral. Es un puente natural entre el estudio del desarrollo de columnas corticales impresas en 3D in vitro y su integración en cerebros de modelos animales de lesiones”.

Por su parte, el profesor Zoltán Molnár, del Departamento de Fisiología, Anatomía y Genética de la Universidad de Oxford y también autor principal, declara: “El desarrollo del cerebro humano es un proceso delicado y elaborado, con una coreografía compleja. Sería ingenuo pensar que podemos recrear toda la progresión celular en el laboratorio. No obstante, nuestro proyecto de impresión en 3D demuestra un avance sustancial en el control de los destinos y la disposición de las iPSC humanas para formar las unidades funcionales básicas de la corteza cerebral”.

Programa de Impresión 3D para la reparación cerebral

“Este esfuerzo futurista sólo podría haberse logrado gracias a las interacciones altamente multidisciplinares fomentadas por la Martin School de Oxford, en las que participan tanto el Departamento de Química como el Departamento de Fisiología, Anatomía y Genética de Oxford”, agrega el profesor Hagan Bayley, del Departamento de Química de la Universidad de Oxford y autor principal.

Los investigadores forman parte del Programa Oxford Martin sobre Impresión 3D para la Reparación Cerebral, que trabaja para utilizar las tecnologías de impresión 3D con el fin de generar una tecnología médica de bajo coste para hacer frente a la creciente catástrofe mundial que suponen los daños cerebrales por traumatismos y enfermedades.

Referencia:

Jin, Y., Mikhailova, E., Lei, M. et al. ‘Integration of 3D-printed cerebral cortical tissue into an ex vivo lesioned brain slice‘. Nat Commun 14, 5986 (2023).

Fuente: Universidad de Oxford