Una parte crucial de traducir la investigación y la tecnología biomédicas en salud espacial significa que la tripulación espacial tendrá que crear sus propias células funcionales, tejidos e incluso órganos.
Aunque no se espera la realización de soluciones de medicina regenerativa capaces de imitar un órgano humano para trasplante en el espacio dentro de la próxima década, los investigadores ya están desarrollando tecnología aplicable que funcionará en condiciones de microgravedad. Hoy en día, el riesgo de que un astronauta desarrolle una enfermedad grave y necesite cuidados intensivos es muy pequeño (entre el 1% y el 2%), pero podría suceder. Más aún con los viajes al espacio profundo, donde los cuerpos humanos estará sujeto a una presión más alta, una radiación ionizante de mayor energía y rayos cósmicos que pueden aumentar los peligros de los vuelos espaciales prolongados en un buque cerrado.
Los peores escenarios y qué pasaría si las situaciones son un gran punto de partida para avances importantes en la tecnología, en especial cuando se trata de espacio exterior. Con la NASA ‘s programa de Artemisa planificación para permitir la exploración humana de la Luna para el 2024 y un posible aterrizaje de superficie con tripulación en Marte 2030, apoyándose en tecnologías innovadoras para sobrevivir fuera de la Tierra va a ofrecer a la humanidad la oportunidad de prosperar en órbita . Con ese fin, las agencias espaciales y las empresas privadas han estado investigando la microgravedad como un cofactor de la tecnología de bioimpresión para crear modelos y construcciones de tejidos.
Hasta ahora, ya se han lanzado dos sistemas de bioimpresión 3D a la ISS, que aprovechan la microgravedad para permitir una biofabricación rápida de tejidos y estructuras de órganos en 3D, como células cardíacas humanas o glándulas tiroideas de ratón. La bioimpresión en el espacio tiene varias ventajas , por ejemplo, los expertos descubrieron que las condiciones de microgravedad permiten la bioimpresión en 3D de construcciones de tejidos y órganos de geometrías más complejas con huecos, cavidades y túneles. Las bioimpresoras pueden utilizar diferentes procesos, incluida la extrusión y la bioimpresión magnética, pero lo más importante es la bioimpresión sin gravedad que elimina el riesgo de colapso, lo que permite que los órganos crezcan sin necesidad de andamios. Esto podría mejorar el tratamiento de los pacientes en la Tierra, así como ayudar a establecer asentamientos planetarios sostenibles.
Históricamente, la fabricación de tejido humano blando, como vasos sanguíneos y músculos, ha sido difícil. Pocos investigadores tuvieron éxito en la impresión 3D de estas estructuras , ya que intentan lidiar con las complejidades de la bioimpresión en la Tierra. Tratando de resolver esta limitación, una empresa se propuso crear una bioimpresora para la fabricación en el espacio. Techshot , un operador comercial de equipos de microgravedad, se asoció con el fabricante industrial de bioimpresoras 3D nScrypt , para desarrollar una bioimpresora 3D diseñada para fabricar tejidos similares a órganos en el espacio. Lanzada en julio de 2019, BioFabrication Facility (BFF) ya ha impreso con éxito construcciones similares a tejidos con un gran volumen de células cardíacas humanas a bordo del Laboratorio ISS, así comomeniscos humanos .
Más importante aún, si bien el bioenlace de la impresora 3D contenía tipos de células como células del músculo cardíaco, células nerviosas y células vasculares, en particular no contenía los materiales de andamiaje ni los agentes espesantes que normalmente se requieren para resistir la fuerza destructiva de la gravedad cuando se realiza una bioimpresión en la Tierra. Al anunciar exitosas impresiones espaciales bioimpresas en 3D con células cardíacas humanas en enero de 2020, Techshot también describió cómo “ en la Tierra cuando se intenta imprimir con biomateriales suaves y que fluyen fácilmente, los tejidos colapsan bajo su propio peso, lo que resulta en poco más que un charco. Pero cuando estos mismos materiales se utilizan en el entorno de microgravedad del espacio, las estructuras impresas en 3D mantienen sus formas «.
El BFF de carga útil de rack exprés del tamaño de un casillero triple en forma de L tiene solo tres pies de ancho y dos pies de alto, pero sostiene cuatro cabezales de impresión para construir construcciones biológicas usando puntas dispensadoras aproximadamente el doble del diámetro de un cabello humano para colocar con precisión material celular y extracelular específico será necesario para desarrollar el tejido. Está construido alrededor de sistemas de motor lineal capaces de conducir a más de 700 milímetros por segundo, principalmente porque la velocidad es la esencia de la bioimpresión en microgravedad. Para la siguiente fase, la compañía decidió traerlo de regreso a la Tierra para algunas actualizaciones, pero el BFF estará abierto al público después de que regrese a la ISS en julio de 2021 a bordo de la 16a Misión de Servicios de Reabastecimiento Comercial de Northrop Grumman para la NASA (NG -dieciséis).
Durante la serie de seminarios de ingeniería de tejidos y medicina regenerativa en el espacio del laboratorio nacional de la ISS 2020 , el científico jefe de Techshot, Eugene Boland, explicó que “la razón por la que las estructuras 3D son más fáciles de producir en microgravedad con la ausencia de convección, flotabilidad y segmentación, es que podemos usar un bioink de menor viscosidad, y las células y los nutrientes permanecen donde los colocas. Este es realmente un cambio de paradigma en la bioimpresión, donde podemos imprimir biología solo por el bien de la biología, no por el bien de la mecánica. Entonces no tenemos que agregar reticuladores y otras estructuras para sostenerlos, de hecho podemos imprimir la forma que queramos. Eso es exactamente lo que se puede hacer en microgravedad que no se puede hacer en el suelo, es decir, pasar a la impresión 3D en lugar de la impresión bidimensional”.
En el otoño de 2019, el administrador de la NASA, Jim Bridenstine, anunció que aunque hay mucho que hacer antes de que los humanos puedan vivir y trabajar en órbita durante largos períodos de tiempo, “ estamos utilizando la ISS para imprimir en 3D tejido humano y, finalmente, humano órganos que utilizan células madre adultas, con el propósito de transformar nuestras vidas aquí en la Tierra «. Desde que juró como el decimotercer administrador de la NASA en 2018, Bridenstine ha estado acelerando el objetivo de la agencia de llevar a la primera mujer y al próximo hombre a la Luna para 2024 y establecer una presencia lunar sostenible a finales de esta década.
Durante una actualización pública sobre el programa Artemis de la agencia , Bridenstine indicó que “en este momento estamos trabajando en la creación de retinas artificiales en órbita. Estas son las cosas que no puedes hacer aquí en la Tierra debido a la forma en que los materiales están colocados en capas, pero puedes hacerlo en la microgravedad del espacio usando la ISS. Imagina una caja que cabe en la palma de tu mano y luego sube al espacio con materiales adentro. Pero cuando esa caja regresa a la Tierra, la abrimos para encontrar mil retinas artificiales. Estas retinas podrían ayudar a las personas que tienen degeneración macular y corren el riesgo de perder la vista «.
De hecho, las innovadoras retinas artificiales biotecnológicas basadas en proteínas de Lambda Vision fabricadas en microgravedad no solo podrían restaurar la vista a pacientes con enfermedades de la retina en la Tierra, sino que también se convertirán en un gran punto de partida para que la compañía explore cómo se puede realizar su proceso de producción en el espacio. utilizado para aplicaciones biomédicas y tecnológicas adicionales en una serie de industrias diversas. Hasta ahora, la directora ejecutiva de Lambda Vision, Nicole Wagner, ha informado que las capas se han demostrado con éxito en microgravedad, depositando 100 capas en ciertas áreas del sustrato.
La ISS también alberga la plataforma de bioimpresión 3D Organ.Aut de Rusia , que alcanzó con éxito la órbita en diciembre de 2018. La agencia espacial rusa Roscosmos se dispuso a trabajar con la empresa 3D Bioprinting Solutions con sede en Skolkovo para crear una bioimpresora 3D magnética espacial, que puede gestionar tejidos esferoides en microgravedad. Se espera que evolucionen nuevos enfoques para las técnicas de bioimpresión 3D, como la bioimpresión acústica o magnética que utiliza campos físicos modelados para la propagación predecible de las células , superando algunas limitaciones comunes, como la velocidad lenta y la incapacidad de crear construcciones 3D con geometrías complejas.
El sistema ya ha bioimpreso en 3D la tiroides de un ratón en el entorno de gravedad cero de la estación; incluso carne, huesos y biopelículas bacterianas 3D fabricadas ; así como cristales crecidos de compuestos proteicos y tejido de cartílago humano modificado por bioingeniería por primera vez. La compañía tiene grandes planes para viajes al espacio profundo, con la esperanza de desarrollar una versión futura de la bioimpresora que podría ayudar a los miembros de la tripulación a reemplazar una parte del cuerpo humano, o incluso a imprimir alimentos para las personas que viajan a Marte.
Otras bioimpresoras también están en proceso. La empresa experta en fabricación de microgravedad Made In Space (MIS) en asociación con el fabricante de bioimpresoras Allevi se propuso crear la bioextrusora ZeroG , que se instalará fácilmente en la instalación de fabricación aditiva existente de MIS en la ISS. Según Ricky Solorzano, CEO y cofundador de Allevi, la plataforma revolucionará el estudio de la biología en el espacio al poder probar biomateriales y lograr diversas geometrías gracias a la microgravedad.
“El objetivo es comprender cuáles son las limitaciones y los valores de realizar experimentos en microgravedad. Al igual que tuvimos que hacer con la bioimpresión en el terreno, creemos que al proporcionar esto y realizar experimentos, la comunidad comprenderá la microgravedad y encontrará aquellas aplicaciones que no son solo investigación sino que se basan en productos, para hacer una industria de este entorno espacial. ”, Explicó Solórzano también durante la Serie de Seminarios Espaciales del Laboratorio Nacional de la ISS.
El fabricante sueco de bioimpresoras 3D Cellink también ha anunciado una colaboración estratégica con MIS para identificar oportunidades de desarrollo de bioimpresión 3D para la ISS y futuras plataformas fuera del mundo. Aunque ya en 2019, la Agencia Espacial Europea (ESA) y el Hospital Universitario de la Universidad Técnica de Dresde (TUD) también demostraron la capacidad de imprimir materia biológica en 3D en un entorno similar al espacio en la Tierra.
La bioimpresión en microgravedad abre un campo completamente nuevo, así como nuevos desafíos. Como dijo una vez el empresario espacial Elon Musk, «el espacio es difícil» y la bioimpresión fuera de la Tierra es aún más difícil. Los expertos ya han descubierto varias limitaciones, que van desde la forma en que se comportan los bioenlaces hasta la comprensión de la tensión superficial. Todavía queda mucho trabajo por hacer para avanzar en la bioimpresión en el espacio, tanto para la Tierra como para los pacientes de la tripulación, pero nuevas colaboraciones podrían conducir rápidamente a las próximas etapas de la bioimpresión en el espacio.
