There are currently hundreds of thousands of people on transplant lists, waiting for critical organs like kidneys, hearts, and livers that could save their lives. Unfortunately, there aren’t nearly enough donor organs available to fill that demand.
Há atualmente centenas de milhares de pessoas nas listas de transplantes, à espera de órgãos essenciais, como rins, corações e fígados, que podem salvar a vida delas. Infelizmente, não há suficientes doadores de órgãos para satisfazer essa procura.
What if instead of waiting, we could create brand-new, customized organs from scratch? That’s the idea behind bioprinting, a branch of regenerative medicine currently under development. We’re not able to print complex organs just yet, but simpler tissues including blood vessels and tubes responsible for nutrient and waste exchange are already in our grasp.
E se, em vez de esperar, pudéssemos criar órgãos novos, personalizados, a partir do nada? É esse o objetivo da bioimpressão, um ramo da medicina regenerativa, atualmente em desenvolvimento. Ainda não conseguimos imprimir órgãos complexos mas já estão ao nosso alcance tecidos mais simples, incluindo sangue, vasos e tubos responsáveis pelas trocas de nutrientes e desperdícios.
Bioprinting is a biological cousin of 3-D printing, a technique that deposits layers of material on top of each other to construct a three-dimensional object one slice at a time. Instead of starting with metal, plastic, or ceramic, a 3-D printer for organs and tissues uses bioink: a printable material that contains living cells.
A bioimpressão é uma prima biológica da impressão em 3D, uma técnica que deposita camadas de material umas por cima das outras para construir um objeto tridimensional, uma camada de cada vez. Em vez de usar metal, plástico ou cerâmica, uma impressora 3D para órgãos e tecidos usa biotinta: um material para impressão que contém células vivas.
The bulk of many bioinks are water-rich molecules called hydrogels. Mixed into those are millions of living cells as well as various chemicals that encourage cells to communicate and grow. Some bioinks include a single type of cell, while others combine several different kinds to produce more complex structures.
Muitas biotintas são constituídas, principalmente, por células ricas em água, chamadas hidrogéis. Misturadas nestas, há milhões de células vivas assim como diversos produtos químicos que incentivam o crescimento e a comunicação das células. Algumas biotintas contêm um único tipo de células, e outras combinam células diferentes para produzir estruturas mais complexas.
Let’s say you want to print a meniscus, which is a piece of cartilage in the knee that keeps the shinbone and thighbone from grinding against each other. It’s made up of cells called chondrocytes, and you’ll need a healthy supply of them for your bioink. These cells can come from donors whose cell lines are replicated in a lab. Or they might originate from a patient’s own tissue to create a personalized meniscus less likely to be rejected by their body. There are several printing techniques, and the most popular is extrusion-based bioprinting. In this, bioink gets loaded into a printing chamber and pushed through a round nozzle attached to a printhead. It emerges from a nozzle that’s rarely wider than 400 microns in diameter, and can produce a continuous filament roughly the thickness of a human fingernail.
Digamos que queremos imprimir um menisco, que é uma parte da cartilagem no joelho que impede a tíbia e o fémur de roçarem um contra o outro. É formado por células chamadas condrócitos, e são necessárias muitas células saudáveis para a biotinta. Essas células podem ser fornecidas por doadores, cujas células são reproduzidas em laboratório. Ou podem ser provenientes do tecido do próprio doente para criar um menisco personalizado menos propenso a ser rejeitado pelo corpo. Há diversas técnicas de impressão, e a mais popular é a bioimpressão baseada na extrusão. Nesta, a biotinta é carregada numa câmara de impressão e injetada através duma ponteira redonda, ligada a uma cabeça de impressão. Sai de uma ponteira que raramente tem um diâmetro maior do que 400 mícrones e pode produzir um filamento contínuo que não atinge a espessura de uma unha humana.
A computerized image or file guides the placement of the strands, either onto a flat surface or into a liquid bath that’ll help hold the structure in place until it stabilizes. These printers are fast, producing the meniscus in about half an hour, one thin strand at a time.
Uma imagem ou um ficheiro computadorizado guia a colocação dos filamentos, numa superfície plana ou num banho líquido que vai ajudar a manter a estrutura no seu lugar, até estabilizar. Estas impressoras são rápidas, produzindo o menisco numa meia hora, um delgado filamento de cada vez.
After printing, some bioinks will stiffen immediately; others need UV light or an additional chemical or physical process to stabilize the structure. If the printing process is successful, the cells in the synthetic tissue will begin to behave the same way cells do in real tissue: signaling to each other, exchanging nutrients, and multiplying.
Depois da impressão, algumas biotintas endurecem imediatamente, outras precisam de luz ultravioleta ou um processo físico ou químico adicional para estabilizar a estrutura. Se o processo de impressão tiver êxito, as células no tecido sintético começam a comportar-se como as células do tecido real: transmitindo sinais umas às outras, trocando nutrientes e multiplicando-se.
We can already print relatively simple structures like this meniscus. Bioprinted bladders have also been successfully implanted, and printed tissue has promoted facial nerve regeneration in rats. Researchers have created lung tissue, skin, and cartilage, as well as miniature, semi-functional versions of kidneys, livers, and hearts. However, replicating the complex biochemical environment of a major organ is a steep challenge. Extrusion-based bioprinting may destroy a significant percentage of cells in the ink if the nozzle is too small, or if the printing pressure is too high. One of the most formidable challenges is how to supply oxygen and nutrients to all the cells in a full-size organ. That’s why the greatest successes so far have been with structures that are flat or hollow— and why researchers are busy developing ways to incorporate blood vessels into bioprinted tissue.
Já conseguimos imprimir estruturas relativamente simples, como meniscos. Já foram implantadas com êxito bexigas bioimpressas e tecido impresso já provocou regeneração de nervos faciais em ratos. Os investigadores criaram tecido pulmonar, pele e cartilagem, assim como versões miniaturais e semifuncionais de rins, fígados e corações. Mas, reproduzir o complexo ambiente bioquímico de um órgão importante é um desafio muito grande. A bioimpressão, com base na extrusão, pode destruir uma percentagem significativa de células na tinta, se a ponteira for demasiado pequena. ou se a pressão da impressão for demasiado alta. Um dos maiores problemas é como fornecer oxigénio e nutrientes a todas as células num órgão em tamanho natural. Isso explica porque os maiores êxitos, até agora, têm sido com estruturas planas ou ocas e é por isso que os investigadores procuram desenvolver formas de incorporar vasos sanguíneos no tecido biompresso.
There’s tremendous potential to use bioprinting to save lives and advance our understanding of how our organs function in the first place. And the technology opens up a dizzying array of possibilities, such as printing tissues with embedded electronics. Could we one day engineer organs that exceed current human capability, or give ourselves features like unburnable skin? How long might we extend human life by printing and replacing our organs? And exactly who—and what— will have access to this technology and its incredible output?
Há um enorme potencial para usar a bioimpressão para salvar vidas e avançar com a nossa compreensão de como funcionam os nossos órgãos. A tecnologia abre uma série espantosa de possibilidades, como tecidos impressos com eletrónica incorporada. Poderemos, um dia, fabricar órgãos que superem a atual capacidade humana ou nos possam dar características como pele que não sofra queimaduras? Até que ponto poderemos prolongar a vida humana, imprimindo e substituindo os nossos órgãos? Exatamente quem — e o quê — terá acesso a esta tecnologia e a estes resultados incríveis?