A bioimpressão 3D torna a matriz de imitação real

Não há nada de virtual nos tecidos produzidos pela bioengenharia – então, tome a pílula vermelha e a pílula azul

No laboratório da Universidade da Flórida liderado por Christine E. Schmidt, PhD, os cientistas usaram um método baseado em apoptose para descelularizar pulmões de ratos e preservar a matriz extracelular (MEC). Os cientistas pretendem recelularizar os hidrogéis da MEC para criar modelos de doenças pulmonares. Esta projeção 3D mostra células epiteliais de pulmão de rato cultivadas em hidrogéis de ECM pulmonar (verde: células vivas; vermelho: células mortas).

A matriz extracelular (ECM) é uma rede tridimensional (3D) de macromoléculas – como colágeno, enzimas e glicoproteínas – que é essencial para orientação espacial, interação e sinalização entre as células circundantes. Quando a MEC é projetada, a ideia é imitar os ambientes naturais dos tecidos e obter insights sobre a regulação celular orientada pela matriz e, ainda, desenvolver substitutos para órgãos danificados.

A imitação de ECM ganha vida através da bioimpressão 3D. Uma extensão da impressão 3D tradicional, a bioimpressão 3D é uma tecnologia de fabricação aditiva que deposita biomateriais – células, fatores de crescimento e componentes de estrutura reticulável – em arranjos favoráveis ​​à formação de estruturas semelhantes a tecidos. A bioimpressão 3D está emergindo como uma ferramenta poderosa para a medicina regenerativa porque é capaz de combinar propriedades físicas e bioquímicas ideais para adesão celular, proliferação migratória e diferenciação.

Os modelos bioimpressos em 3D ocupam um nicho único na comunidade de pesquisa, oferecendo integração rigorosamente controlada da matriz de suporte com tipos de células relevantes. “Se [quiséssemos] criar um vaso sanguíneo sintético, semearíamos células endoteliais em uma das biotintas altamente biocompatíveis, derivadas de gelatina, fibrina, alginato ou outros materiais naturais”, diz Akhilesh K. Gaharwar, PhD, associado professor de engenharia biomédica na Texas A&M University.

O colaborador próximo de Gaharwar, Abhishek Jain, PhD, professor assistente de engenharia biomédica na Texas A&M, reforça o ponto: “A bioimpressão 3D poderia reproduzir com precisão a anatomia vascular de um paciente, incluindo geometrias personalizadas de tomografias computadorizadas. Ao colocar em camadas uma matriz polimérica e comunidades celulares, aumentamos gradativamente a complexidade do sistema, fazendo com que as células se alinhem, interajam e respondam de maneira fisiologicamente relevante.”

Gaharwar e Jain acreditam que modelar o complexo sistema vascular poderia levar a melhores tratamentos para doenças vasculares. Representando mais de 17 milhões de mortes por ano, espera-se que as doenças vasculares atinjam proporções epidémicas num futuro próximo.

Um sistema vascular complexo é difícil de reproduzir in vitro porque consiste em uma arquitetura de células em múltiplas camadas. Esta arquitetura não está apenas de acordo com as estruturas vasculares básicas (vasos compostos por camadas internas e externas de células), mas também suporta as intrincadas interações que ocorrem entre as células vasculares e o microambiente circundante.

“A bioimpressão 3D é capaz de fabricar um modelo que pode replicar propriedades mecânicas, como relaxamento e contração das paredes, bem como propriedades fisiológicas, como ativação endotelial, formação de coágulos e outras características importantes da doença”, acrescenta Jain. “Nossos laboratórios estão trabalhando em uma nova família de biotintas que mantém alta fidelidade de forma pós-extrusão e estabilidade mecânica após reticulação.”

A reticulação resulta em um hidrogel, e o hidrogel é combinado com nanopartículas de nanosilicato em forma de disco, que adicionam resistência à construção impressa e se ligam eletrostaticamente a polímeros carregados. A incorporação de nanosilicatos em hidrogéis melhora notavelmente as propriedades de fluxo das soluções precursoras do produto impresso. Consequentemente, a reticulação de precursores impressos com luz UV produz uma matriz excepcionalmente forte, mas elástica, adequada para procedimentos de enxerto.1

“Nosso objetivo é acelerar a descoberta de medicamentos criando um vaso sanguíneo totalmente funcional com células vasculares humanas primárias”, declara Gaharwar. “[Esperamos] explorar a comunicação intercelular durante processos de doenças em um nível sem precedentes.”