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Impressão 3D de órgãos humanos: uma realidade cada vez mais próxima

O que é a pesquisa?

Nas próximas décadas, a relação entre a medicina e a engenharia terá atingido um marco histórico quando órgãos humanos puderem ser fabricados com o uso de impressoras 3D e implantados em pacientes debilitados que aguardam por doações de órgãos. Atualmente, a situação mundial é de escassez de órgãos saudáveis para doação, além dos problemas relacionados à imunossupressão, causada por drogas, e os riscos da transmissão de doenças nos transplantes. No futuro, com a bioimpressão, os pacientes poderão ser reintegrados à sociedade em tempo mais curto, com qualidade de vida maior e menor custo para a saúde pública.
 
As pesquisas em bioimpressão de órgãos são altamente relevantes, estratégicas e completaram pouco mais de uma década. Os desafios são grandes, envolvendo diversas áreas do conhecimento que vêm interagindo cada vez mais para buscar soluções viáveis, com progressos em várias partes do mundo. Espera-se que no futuro seja possível produzir estruturas para a substituição parcial ou total de tecidos e órgãos humanos danificados. No momento, o primeiro e mais promissor estágio da pesquisa é o desenvolvimento de microestruturas que possam replicar ou, pelo menos, simular o comportamento dos tecidos ou órgãos reais. Estas microestruturas poderão em breve ser usadas para testar novas drogas.

No Brasil, a pesquisa em bioimpressão 3D de órgãos vem sendo desenvolvida por pesquisadores da Divisão de Tecnologias Tridimensionais (DT3D), do Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI), uma das unidades de pesquisa do Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação, localizada em Campinas (SP). O CTI possui modernas impressoras 3D, com as quais podem ser gerados modelos, moldes e estruturas relacionadas à bioimpressão. O Centro também desenvolve impressoras 3D e bioimpressoras experimentais para testes com biomateriais, que podem incluir materiais biológicos. Como a área de bioimpressão está diretamente relacionada a estruturas e fatores biológicos, é fundamental que grande parte das soluções em desenvolvimento seja analisada na perspectiva do comportamento celular, ou seja, a interação entre a estrutura tridimensionalmente fabricada e o comportamento da célula. Assim, as análises são realizadas em colaboração com diversas instituições nacionais e internacionais.

Como é feita a pesquisa?

A bioimpressão de órgãos é uma aplicação biomédica da impressão 3D (também conhecida como manufatura aditiva), que permitirá, automaticamente, sob o controle de um computador, a reconstrução de tecidos e órgãos humanos. Para isso é necessário uma forte integração interdisciplinar envolvendo a Engenharia e a Biologia, além de outras áreas do conhecimento. O órgão ou tecido deverá ser estruturado a partir de elementos construtores básicos que funcionam como blocos de montar, chamados de esferoides teciduais, capazes de fundirem-se uns aos outros. Esses elementos, obtidos de células do próprio paciente, serão armazenados por uma bioimpressora 3D que fabricará o órgão ou tecido, camada-a-camada, seguindo um conjunto de instruções da bioimpressora, com detalhes complexos da estrutura a ser construída.

Figura 1. Etapas necessárias na produção de órgãos e tecidos humanos. Imagem: CTI. 


Primeiramente, são desenvolvidos softwares para desenho e tratamento de imagens médicas, bem como simuladores que ajudam os pesquisadores a encontrar soluções. Uma das etapas desafiadoras da pesquisa é a representação matemática  do tecido ou órgão a ser produzido. O uso em larga escala de uma bioimpressora 3D somente será possível se um projeto ou design detalhado for produzido anteriormente à etapa da impressão, o que não é possível com os softwares atuais. Assim, o desafio é complexo e requer a contribuição de anatomistas, biólogos e matemáticos, além de cientistas da computação. Em relação à bioimpressão propriamente dita, são necessários engenheiros de automação, de robótica, de computação, mecânicos e eletrônicos que deixem o equipamento apto a processar o design ou projeto gerado e fazer a impressão controlada do material vivo (esferoides teciduais), de maneira organizada, rápida e segura.

Esse material, por sua vez, exige que profissionais da área biológica atuem previamente na produção em larga escala. O passo seguinte à fabricação do órgão é a sua maturação em um equipamento conhecido como biorreator. Esse equipamento, assim como a impressora, requer a atuação de engenheiros, químicos e físicos. Por último, supondo que todas as etapas anteriores sejam bem sucedidas, segue-se a etapa de implantação do órgão no paciente, realizada por cirurgiões especialistas. Esta será uma etapa altamente dependente de discussões no campo da ética e da definição de regulamentos que garantam a segurança do paciente, o que já vem acontecendo em muitos países.  

 

Qual a importância da pesquisa?

A população humana tem aumentado e as gerações têm vivido cada vez mais tempo, e alternativas na área da saúde precisam ser desenvolvidas para que pessoas portadoras de doenças ou acidentadas possam aumentar suas chances de recuperação e reintegração à sociedade. O objetivo da bioimpressão é produzir substitutos naturais, isto é, partes humanas com material biológico retirado do próprio paciente a partir da impressão 3D.

Tem crescido, no mundo todo, o número de pesquisadores e de investimentos em bioimpressão. Ainda não existem aplicações completas e de larga escala dela, mas os resultados das pesquisas são promissores. Os países com maior atuação na área são os Estados Unidos, Reino Unido, Japão, Coreia do Sul, China e Holanda. Na América Latina, o Brasil participou como um dos membros fundadores da Sociedade Internacional para Biofabricação (em inglês, International Society for Biofabrication) em 2010. A Divisão de Tecnologias Tridimensionais (DT3D) do CTI vem contribuindo para o desenvolvimento da bioimpressão por meio da pesquisa e aplicação da tecnologia da informação e impressão 3D. O CTI tem participado dos principais eventos mundiais da área, apresentando seus resultados tanto na forma de artigos em congressos quanto de palestras convidadas.

Como um exemplo específico desse estudo no CTI, foi desenvolvida uma estrutura de 200 micrômetros de diâmetro, denominada lockyball, cuja função é abrigar os esferoides teciduais, dando-lhes proteção mecânica e maior capacidade de interconexão. Adicionalmente, essa estrutura poderá garantir um maior tempo de hospedagem dos esferoides teciduais na região em que for instalado no organismo humano, nos casos das chamadas terapias celulares em que é necessária a manutenção de células específicas em um local determinado. Elas funcionariam como um ‘carrapicho’, prendendo-se umas as outras, gerando uma estrutura 3D com grande concentração de células. As Lockyballs foram produzidas em parceria com os países da Lituânia, Grécia e Áustria.

Na área de pesquisa aplicada, a Divisão de Tecnologias Tridimensionais (DT3D) do CTI tem trabalhado em cooperação com o Ministério da Saúde para aplicações de tecnologias tridimensionais na saúde, o que confere uma rica experiência e conhecimentos na solução real dos problemas em uma rede que conta com mais de uma centena de hospitais. No âmbito desse projeto, nas próximas semanas, a DT3D deverá alcançar o número de 4.000 casos atendidos.

Publicado em 25 de junho de 2015.