Biofabricação de Órgãos: Um Campo Multidisciplinar

O que antes era apenas ficção científica, hoje é realidade e um dos temas multidisciplinares mais recorrentes na mídia internacional e brasileira. Ainda não temos órgãos funcionais “bioimpressos”, mas a tecnologia para essa realização já está sendo aprimorada e em plena evolução. Conheça um pouco sobre a encantadora área da biofabricação e bioimpressão de tecidos e órgãos – campo multidisciplinar que tem a capacidade de absorver e integrar um grande número de profissionais de diversas áreas.

A biofabricação de tecidos e órgãos é uma tecnologia emergente e exigente em termos de multidisciplinaridade. Essa área faz parte da engenharia tecidual, composta por diversas tecnologias, como a bioimpressão 3D. O objetivo comum da integração desses campos do conhecimento é construir e reconstruir tecidos e órgãos danificados, a fim de salvar ou melhorar a vida dos pacientes.

A engenharia tecidual e a tecnologia da informação incorporam áreas multidisciplinares como a biofabricação e a bioimpressão objetivando a construção e reconstrução de tecidos biológicos.

Os tecidos biológicos são sistemas altamente complexos devido às suas características específicas. Cada órgão possui sua própria estrutura morfológica, composição celular e molecular para orquestrar rigorosamente todas as atividades específicas, distribuídas em diversas escalas. Estas características biológicas precisam ser entendidas e integradas com as várias etapas da biofabricação, desde a obtenção do seu BioCAD (imagem computadorizada do seu órgão) até a fase de maturação tecidual realizada em biorreatores.

Etapas essenciais da biofabricação de um tecido ou órgão. A ideia principal desse esquema é a utilização de simulações computacionais para desenvolver modelos biológicos mais precisos e confiáveis para a bioimpressão.
Biofabricação no Núcleo de Tecnologias Tridimensionais – NT3D

Todas as etapas da biofabricação são compostas por métodos matemáticos e computacionais, sendo completamente dependente da tecnologia da Informação, como por exemplo simulações computacionais. É aí que entra o Núcleo de Tecnologias Tridimensionais (NT3D), localizado no Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI) em Campinas, realizando estudos, implementando projetos, desenvolvendo ferramentas e integrando as diversas áreas do conhecimento para o desenvolvimento da biofabricação de tecidos e órgãos no Brasil.

O grupo de pesquisa multidisciplinar do NT3D é composto atualmente por biólogos, biotecnologistas, matemáticos e engenheiros. Além dos profissionais graduados, temos um grande número de alunos da graduação, como a Maria Kersanach, aluna de Engenharia de Computação que procurou o CTI para realizar sua iniciação científica na área de biofabricação de órgãos. Sua curiosidade nessa nova área está criando uma excelente oportunidade de integração com as múltiplas habilidades do grupo, fator esse, indispensável para o avanço de novos conhecimentos. Maria conta um pouco da experiência dela abaixo:

Na computação, somos ensinados a transformar tudo em algoritmos. Algoritmos nada mais são que regras a serem seguidas, uma receita de bolo escrita em linguagens de programação para que o computador entenda. Na biofabricação, como foi mostrado, estuda-se diversos fenômenos biológicos como diferenciação e crescimento celular, difusão e secreção de biomoléculas… Ao abordar estes processos com um pensamento lógico, podemos transformar tudo em algoritmos! Assim, antes de partir para os laboratórios biológicos, podemos prever – com uma aproximação razoável – a influência das principais substâncias químicas, proteínas, enzimas, etc, alterando sua presença ou quantidade na receita criada para aquele processo, evitando erros que geram gastos de tempo e dinheiro. Além das simulações, a computação é nossa alinhada nos estudos de fenômenos biológicos ao fornecer uma série de ferramentas em tratamento de imagens, modelagem de estruturas, machine learning, análise de dados (e quantos dados!), entre outros. Cada vez mais os avanços tecnológicos nos permitem ter acesso a mais e mais dados a serem analisados, estudados e interpretados. A computação serve então justamente como guia na exploração desta onda de informações, nos dando insights que trarão melhorias e inovações não só na biofabricação como em toda área da saúde.

A Bioimpressão

Uma das principais etapas da biofabricação é a bioimpressão do órgão, que faz uso da tecnologia de impressão 3D. Recentes tendências da pesquisa envolvendo bioimpressão tem mostrado seu potencial promissor na biofabricação de pequenas estruturas teciduais e no futuro órgãos funcionais.  

Esquema representativo de modelos de uma bioimpressora 3D e um biorreator projetados no NT3D.
Desafios da Bioimpressão

Os primeiros artigos científicos sobre a bioimpressão 3D foram em 2003-2004, porém, 14 anos depois, muitos desafios continuam incomodando os pesquisadores do mundo todo e, isso se deve à multidisciplinaridade que a tecnologia exige. Tais lacunas podem ser resumidas e simplificadas nos tópicos abaixo.

  • Métodos mais eficazes com precisão espacial e temporal para depositar as células ou aglomerados celulares sem causar danos (físicos e moleculares);
  • Desenvolvimento da organização espacial e funcional do tecido “bioimpresso”;
  • Melhores condições para a maturação do tecido após a fase de bioimpressão, ou seja, biorreatores apropriados para a maturação de microtecidos e órgãos;
  • Desenvolvimento de biomateriais e materiais inertes para condicionar uma melhor adesão entre as células do tecido durante e depois da bioimpressão;
  • Histoarquitetura e redes vasculares complexas presente nos órgãos;
  • Heterogeneidade celular com fenótipos complexos orquestrando as atividades dos órgãos;
  • Desenvolvimento de novos arquivos, software e hardware integrados adequadamente com as etapas de modelagem, simulação, bioimpressão e pós processamento (biorreatores).
Biofabricação no Brasil

Com relação ao uso e desenvolvimento dessa tecnologia, hoje existem diversas bioimpressoras sendo comercializadas no exterior, mas nenhuma sendo produzida no Brasil, apenas adaptações de impressoras 3D.

Recentemente uma equipe de pesquisadores da Embrapa Recursos Genéticos e Biotecnologia de Brasília, coordenada pelo Dr. Luciano Paulino Silva, teve um projeto aprovado para adquirir uma bioimpressora, com a finalidade de criar estruturas biológicas 3D para testes de nanomateriais produzidos a partir de resíduos industriais da agropecuária.

No futuro, quando os conhecimentos e as tecnologias existentes estiverem mais avançados, teremos linhas de biofabricação de órgãos como esquematizada no vídeo abaixo (link).    Essas novas tecnologias serão adaptadas e integradas com as diversas ferramentas computacionais necessárias e coordenadas com uma logística eficiente de transporte de órgãos para transplantes, beneficiando e aumentando a expectativa de vida da população.

No futuro uma linha de biofabricação será necessária para que a logística de órgãos “biofabricados” seja correta e eficiente.
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