La bioimpresión magnética 3D es una metodología que emplea nanopartículas magnéticas biocompatibles para imprimir células en estructuras 3D o cultivos celulares 3D . En este proceso, las células se etiquetan con nanopartículas magnéticas ( nano lanzadera ) que se utilizan para volverlas magnéticas. [1] [2] Una vez magnéticas, estas células se pueden imprimir rápidamente en patrones 3D específicos utilizando fuerzas magnéticas externas que imitan la estructura y función del tejido.
La bioimpresión 3D magnética se puede utilizar como alternativa a otras modalidades de impresión 3D, como la extrusión , la fotolitografía y la estereolitografía . Las ventajas de la técnica incluyen el rápido proceso de bioimpresión (15 min – 1 h) en comparación con los procesos de varios días de otras; [3] [4] la síntesis endógena de matriz extracelular (ECM) sin la necesidad de un sustrato proteico artificial y un fino control espacial. [5] [6] [7] Con este sistema, se pueden imprimir rápidamente modelos de cultivo celular en 3D, desde simples esferoides y anillos hasta modelos organotípicos más complejos, como el pulmón, [5] la válvula aórtica, [6] y la grasa blanca. [7]
Nano3D Biosciences, Inc. está comercializando el primer sistema de bioimpresión 3D disponible comercialmente. La primera aplicación de este sistema se diseñará para la detección de fármacos de alto rendimiento y alto contenido. [8]
Primero es necesario incubar las células en presencia de nanopartículas magnéticas para hacerlas más susceptibles a la manipulación a través de campos magnéticos. El sistema desarrollado por Nano3D Biosciences utiliza un "nanoshuttle", que es un conjunto de nanopartículas que consta de oro, óxido de hierro magnético y poli-L-lisina que ayuda a la adhesión a la membrana celular mediante interacciones electrostáticas. [5] En este sistema, las células se imprimen magnéticamente en patrones 3D (anillos o puntos) utilizando campos generados por imanes permanentes. Las células dentro de la construcción impresa interactúan con las células circundantes y la ECM para migrar, proliferar y, en última instancia, reducir la estructura, generalmente en 24 horas.
Cuando se utiliza como ensayo de toxicidad, esta contracción varía con la concentración del fármaco y es una métrica de la función celular sin etiquetas que se puede capturar y medir fácilmente con imágenes de campo claro. [8] En el sistema desarrollado por Nano3D Biosciences, el tamaño del patrón se puede capturar utilizando un sistema basado en iPod, que se programa mediante una aplicación disponible gratuitamente (Experimental Assistant) para obtener imágenes de placas completas de hasta 96 estructuras en pequeños intervalos. (tan pequeño como un segundo) para capturar eficientemente la farmacodinámica.
Las células se pueden ensamblar sin utilizar nanopartículas magnéticas empleando diamagnetismo . Algunos materiales son fuertemente atraídos o susceptibles a los imanes que otros. Los materiales con mayor susceptibilidad magnética experimentarán una atracción más fuerte hacia un imán y se moverán hacia él. El material débilmente atraído y con menor susceptibilidad se desplaza a regiones de menor campo magnético que se encuentran alejadas del imán. Al diseñar campos magnéticos e imanes cuidadosamente dispuestos, es posible utilizar las diferencias en las susceptibilidades magnéticas de dos materiales para concentrar solo uno dentro de un volumen.
Un ejemplo es cuando se formuló biotinta suspendiendo células de cáncer de mama humano en un medio de cultivo celular que contenía la sal paramagnética, hidrato de sal dihidrógeno de gadolinio (III) del ácido dietilentriaminopentaacético (Gd-DTPA). Como la mayoría de las células, estas células de cáncer de mama son atraídas mucho más débilmente por los imanes que el Gd-DTPA, que es un agente de contraste para resonancia magnética aprobado por la FDA para uso en humanos. Por lo tanto, cuando se aplicó un campo magnético, el hidrato de sal se movió hacia los imanes, desplazando las células a un área predeterminada de intensidad mínima del campo magnético, lo que sembró la formación de un grupo de células tridimensionales. [9]
La bioimpresión magnética 3D se puede utilizar para detectar toxicidad cardiovascular , que representa el 30% de las abstinencias de medicamentos. [10] Las células del músculo liso vascular se imprimen magnéticamente en anillos 3D para imitar los vasos sanguíneos que pueden contraerse y dilatarse. Este sistema podría potencialmente reemplazar los experimentos que utilizan tejido ex vivo, que son costosos y producen pocos datos por experimento. Además, la bioimpresión magnética 3D puede utilizar células humanas para aproximarse a una respuesta humana in vivo mejor que con un modelo animal. Así lo ha demostrado el bioensayo que combina los beneficios de la bioimpresión 3D en la construcción de estructuras similares a tejidos para su estudio con la velocidad de la impresión magnética.