Bioimpressão 3D e Esferoides celulares: Avanços na medicina regenerativa

A combinação entre bioimpressão tridimensional (3D) e esferoides celulares inaugura uma nova era na engenharia de tecidos e medicina regenerativa, oferecendo caminhos interessantes para soluções personalizadas, realistas e eficientes.

Esferoides, que são agregados tridimensionais de células, mimetizam o ambiente fisiológico natural dos tecidos de uma maneira que culturas celulares tradicionais em duas dimensões (2D) não conseguem alcançar. Integrados à tecnologia de bioimpressão, eles podem ser aplicados para criar modelos mais precisos para pesquisa e para a regeneração de tecidos humanos, eliminando a dependência exclusiva de experimentação animal.

Essa combinação oferece vantagens práticas e éticas. Na prática, os esferoides celulares, ao serem organizados em arquiteturas 3D pela bioimpressora, replicam com precisão as interações célula-célula e o microambiente natural dos tecidos.

Isso resulta em uma melhora da resposta celular e um aumento significativo na funcionalidade dos tecidos criados. Do ponto de vista ético, o uso desses modelos tridimensionais oferece uma alternativa significativa ao uso de animais em testes e pesquisas biomédicas, promovendo práticas mais humanizadas e aceitas pela sociedade.

Graças à sua estrutura 3D e intensas interações célula-célula, os esferoides apresentam propriedades regenerativas superiores às culturas 2D, sendo amplamente usados na engenharia de tecidos. Tecnologias avançadas permitem a produção em massa de esferoides, tanto monoculturas quanto coculturas. Pré-condicionamento in vitro e biomateriais aumentam seu potencial regenerativo, facilitando a aplicação em scaffolds para formar tecidos estruturados ou fusão para criar macrotecidos sem suporte. [Fonte: Laschke and Menger, 2017]

Como os esferoides e a bioimpressão se completam na engenharia de tecidos

O grande valor dos esferoides reside em sua capacidade de recriar ambientes celulares próximos dos que ocorrem naturalmente no corpo humano. Em uma cultura 2D, as células estão organizadas de forma achatada e restrita, resultando em interações limitadas e em uma perda de funções celulares fundamentais. Em contraste, os esferoides em bioimpressão 3D recriam a complexidade dos tecidos vivos, promovendo interações tridimensionais intensas e permitindo a organização celular em padrões semelhantes aos observados em tecidos reais.

esferoides de tecido vascular uniluminais são fundidos em gotas suspensas. Cada esferoide possui uma camada externa de células musculares lisas (em vermelho, com α-actina de músculo liso) e uma camada interna de células endoteliais (em verde, com molécula de adesão de células endoteliais), formando um lúmen central. A bioimpressão permite criar segmentos vasculares ramificados a partir desses esferoides, que são depositados em um hidrogel de colágeno tipo 1, onde ocorre a fusão tecidual, resultando em segmentos vasculares contínuos. [Fonte: Laschke and Menger, 2017]

Com a bioimpressão 3D, esses esferoides podem ser depositados em arranjos específicos, de modo a formar estruturas teciduais complexas com precisão milimétrica. Essa sinergia permite o desenvolvimento de modelos de tecidos que apresentam alta proximidade com os tecidos humanos in vivo, incluindo aspectos como vascularização, organização multicelular e resposta a estímulos, características essenciais para a funcionalidade e durabilidade dos tecidos implantados.

Esses avanços possibilitam, por exemplo, a criação de modelos de tecidos para doenças como o câncer e a diabetes, onde terapias podem ser testadas em um ambiente que reflete melhor o comportamento humano do que em modelos animais.

Bioimpressão de esferoides para pesquisa e tratamentos regenerativos

As aplicações da bioimpressão 3D com esferoides são amplas e se expandem rapidamente. Desde a criação de tecidos como pele, cartilagem e fígado até modelos de organoides para testes de toxicidade e descoberta de novos fármacos, essa tecnologia traz benefícios importatíssimos para a medicina e para a ciência.

A possibilidade de combinar diferentes tipos de células em esferoides – como células vasculares e fibroblastos – permite a reprodução de microambientes mais próximos do natural, aumentando o sucesso de implantes e garantindo maior viabilidade em longo prazo.

Esferoides de células pluripotentes induzidas para condrócitos bioimpresso em 3D. [Fonte: Nakamura et al., 2021]

No âmbito da medicina regenerativa, a aplicação dos esferoides permite a criação de estruturas complexas que podem auxiliar na recuperação de tecidos danificados e no desenvolvimento de novos tratamentos para doenças degenerativas. Por exemplo, esferoides derivados de células-tronco já são utilizados na bioimpressão para criar modelos de tecidos cardíacos, replicando a contração e o batimento coordenado das células, um avanço significativo para o tratamento de doenças cardíacas e para o desenvolvimento de próteses cardíacas viáveis.

Esferoides de feitos de células autólogas (do próprio paciente), já são aplicadas diretamente em injúrias cartilaginosas e comercializados como tratamentos personalizados (pesquise pela empresa Codon e suas condroesferas).

A sinergia entre bioimpressão e esferoides, portanto, tanto facilita a criação de modelos mais próximos do real para estudos em laboratório, quanto abre novas possibilidades para terapias regenerativas avançadas, oferecendo alternativas concretas para o uso de células humanas em substituição a modelos animais.

Impactos de mercado: Médio e longo prazo

A bioimpressão 3D de esferoides celulares apresenta um potencial de mercado crescente e promissor.

Com o aumento das demandas por alternativas ao uso de animais em testes e pela produção de tecidos personalizados, o mercado global de bioimpressão está em uma trajetória de expansão acelerada.

Empresas de biotecnologia, centros de pesquisa e indústrias farmacêuticas estão investindo em tecnologias de bioimpressão com esferoides, na expectativa de desenvolver modelos celulares mais eficazes e reduzirem custos de pesquisa, além de oferecer soluções clínicas regenerativas com maior aceitação ética.

Esferoides sendo depositados de forma controlada por uma bioimpressora. Esquema e imagens em diferentes técnicas demonstrando: (i) aspiração de esferoides de células-tronco (MSC) em um reservatório, (ii) transferência dos esferoides para um hidrogel de suporte que se autorregenera (marcado com FITC), e (iii) deposição dos esferoides dentro do hidrogel ao remover o vácuo na micropipeta (n=4). b. Propriedades do hidrogel: ele diminui a viscosidade sob alta pressão (shear-thinning) e se recupera após deformações, voltando à forma original. c. Interações químicas entre componentes do hidrogel permitem que ele se adapte e se repare rapidamente enquanto o esferoide se move por ele (n=3). Escala: 250 µm.[Fonte: Daly et al., 2021]

No médio prazo, espera-se que a bioimpressão 3D com esferoides avance em áreas como a criação de tecidos de reposição para tratamentos mais personalizados, como enxertos de pele para queimaduras severas ou reparos de cartilagem em condições articulares degenerativas. À medida que as tecnologias se aperfeiçoam, a produção de órgãos mais complexos – como o fígado e os rins – começa a ser vislumbrada, embora ainda exija avanços na vascularização e na fusão de esferoides em estruturas integradas - além dos desafios técnicos de hardware, software e do próprio entendimento inerente aos processos biológicos.

Em longo prazo, a expectativa é que a bioimpressão com esferoides celulares se torne uma prática comum na medicina regenerativa, possibilitando o desenvolvimento de terapias e "próteses" inteiramente personalizadas. Com os avanços contínuos em biomateriais e técnicas de manipulação de esferoides, projeta-se, a longo prazo, que a bioimpressão possa criar estruturas complexas como tecidos cardíacos, nervosos e até mesmo órgãos completos!

Além disso, essa tecnologia permitirá uma transição mais rápida dos testes de fármacos de modelos animais para modelos humanos, promovendo maior segurança e eficácia no desenvolvimento de medicamentos.

Perspectivas da área

Paciente com microtia recebe orelha impressa em 3D, estudo em fase clínica, país de origem: China. *Mais informações podem ser encontradas em nosso curso de Bioimpressão 3D na saúde.

A combinação de esferoides celulares com bioimpressão 3D representa uma (r)evolução silenciosa, mas profunda, na engenharia de tecidos e na medicina regenerativa. Com um potencial que ultrapassa a criação de modelos experimentais para a pesquisa de medicamentos e se estende até a produção de órgãos substitutivos, essa tecnologia contribui para uma mudança de paradigma em relação ao uso de animais em laboratório e coloca a regeneração tecidual em um novo patamar.

Ao criar modelos tridimensionais realistas e funcionais, a bioimpressão com esferoides reduz a necessidade de testes em animais, promovendo práticas de pesquisa mais éticas e alinhadas com os valores da sociedade contemporânea. O mercado, por sua vez, responde a essas demandas com investimentos e inovação contínuos, o que sugere que, num futuro próximo, a medicina personalizada e as terapias regenerativas baseadas em bioimpressão estarão disponíveis para atender a uma ampla gama de necessidades de saúde (principalmente considerando as particularidades biológicas de cada indivíduo, isso significa uma medicina mais personalizada e até mais integrativa).

Modelo de orelha Bioimpressa, em estudo clínico, feita pela empresa PrintBio, localizada em NY, EUA

Com esses avanços, a bioimpressão com esferoides tem o potencial para transformar a prática médica e científica e se posiciona como uma tecnologia que valoriza a vida, oferecendo soluções eficazes e éticas que impactam positivamente a qualidade de vida das pessoas em escala global!

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Referências

Laschke, M.W., & Menger, M.D., 2017. Life is 3D: Boosting Spheroid Function for Tissue Engineering. Trends in Biotechnology, 35(2), pp.133-144. DOI: 10.1016/j.tibtech.2016.08.004.

Nakamura, A., Murata, D., Fujimoto, R., Tamaki, S., Nagata, S., Ikeya, M., Toguchida, J. & Nakayama, K., 2021. Bio-3D printing iPSC-derived human chondrocytes for articular cartilage regeneration. Biofabrication, 13(4), 044103. DOI: 10.1088/1758-5090/ac1c99.

Daly, A.C., Davidson, M.D. & Burdick, J.A., 2021. 3D bioprinting of high cell-density heterogeneous tissue models through spheroid fusion within self-healing hydrogels. Nature Communications, 12, Article number: 753.

https://printbio.com/patients/

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