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Creación de órganos artificiales: ¿dónde están los límites?

Los riñones humanos fabricados mediante impresora 3D son un ejemplo actual de la biología sintética y la ingeniería de tejidos, disciplinas que se basan en imitar órganos y funciones ya existentes. Pero, ¿podrían crearse nuevos órganos que mejoren estas funciones?

Científicos de la Universidad Pompeu Fabra han evaluado estos límites y definen un morfoespacio que contempla todas las formas y funciones biológicas posibles para organizar el universo de órganos naturales y artificiales. El estudio revela un espacio vacío en su interior que supondría un amplio abanico de posibilidades biológicas inexploradas por la evolución.

La creación de nuevos organismos vivos es el objetivo final de la biología sintética, que apareció a principios del siglo. Durante estos años, hemos visto a científicos manipular genéticamente bacterias para que degraden polímeros de plástico o incluso fabricar riñones humanos mediante las impresoras 3D.

Pero, ¿son viables todas las estructuras biológicas que podemos imaginar? A medida que avanzan esta rama de la ciencia y la ingeniería de tejidos, resulta necesario conocer los límites de lo posible en lo que a nuevos organismos se refiere. Científicos del Laboratorio de Sistemas Complejos de la Universidad Pompeu Fabra (UPF) han definido el espacio de las estructuras biológicas conocidas y proponen utilizar la biología sintética como herramienta para indagar en aquellos caminos inexplorados por la evolución.

Los avances de cada una de estas disciplinas, biología sintética e ingeniería de tejidos, han sido notorios. Entre ellos destaca la creación de los llamados organs-on-a-chip, dispositivos que recrean a microescala las funciones de un órgano real y permiten su estudio. También despunta la creación de organoides en cultivos 3D, que llevan a cabo procesos de desarrollo generando una estructura similar a los órganos naturales, teniendo la autoorganización un papel crítico.

“Podríamos pensar en la creación de nuevos órganos que mejoren las funciones de los órganos ya existentes”, proponen los autores

Sin embargo, estos ejemplos se basan en imitar órganos o funciones que ya existen en la naturaleza. “No hay ninguna razón para limitarnos a fabricar órganos y tejidos tal y como existen en la naturaleza. Podríamos pensar en la creación de nuevos órganos que mejoren las funciones de los órganos ya existentes”, proponen los autores de un estudio publicado en la revista Integrative Biology.

Esta fisiología mejorada podría incluir funciones completamente nuevas o incluso la capacidad de diagnosticar y curar enfermedades. Un ejemplo ya existente es la generación de oídos biónicos con una antena de bobina integrada (“órganos cyborg”). Pero existen ciertas restricciones que dificultan el progreso. Para los científicos, esto no significa que haya que limitar el diseño de estructuras celulares complejas, sino que es necesario establecer cuáles son los límites asociados a la organización de las estructuras biológicas.

El morfoespacio para organizar el universo de órganos

Muchas de las nuevas estructuras y funciones biológicas se encuentran lejos del camino marcado por la evolución. “Si nos liberásemos de los límites vinculados a los procesos embrionarios, entrarían en juego nuevas reglas quizás asequibles para la ingeniería biológica”, apuntan los investigadores, que han categorizado las estructuras conocidas en función de un conjunto de variables. Estas variables definen el morfoespacio en el que las estructuras se ordenan, mostrando aquellas regiones olvidadas por la evolución.

El equipo liderado por Ricard Solé ha definido este morfoespacio de órganos y organoides con el que contemplar el universo de todas las estructuras biológicas posibles. Los tres ejes que lo conforman son: la complejidad de desarrollo, la complejidad cognitiva y el estado físico.

Los grados de complejidad de desarrollo abarcan desde las mezclas de células que no se relacionan entre sí, hasta los órganos totalmente desarrollados, con células que interactúan entre ellas y llevan a cabo una misma función, como sería, por ejemplo, el hígado. Sistemas poco desarrollados serían los llamados quimiostatos, cultivos bacterianos utilizados comúnmente en la industria para la elaboración de sustancias determinadas, como algunos antibióticos.

En cuanto al grado de complejidad cognitiva, se define como la capacidad de los órganos para recibir información y procesarla. Así, el cerebro, con sus innumerables conexiones neuronales y su plasticidad, o el sistema inmune, con la capacidad de detectar tanto amenazas nuevas como las ya conocidas y responder ante todas ellas, suponen dos ejemplos del más alto grado de complejidad cognitiva.

El tercer eje del morfoespacio, el estado físico, toma como referencia las fases de la materia inorgánica y pretende describir la movilidad de los componentes de los órganos y organoides. Así se encuentra la gran mayoría de las estructuras biológicas en estado “sólido”, con algunos notables contraejemplos como la sangre o el microbioma, caracterizados por una mayor movilidad de sus elementos.

Tomando estos tres ejes, el equipo de investigación ha realizado una instantánea del panorama actual de las estructuras biológicas posibles. Una de las características más interesantes del morfoespacio es la presencia de un espacio vacío que puede tener dos significados. El primero es que no sea posible la combinación propuesta en esa región. El segundo, mucho más alentador, es que se trata de diseños inaccesibles para la evolución en condiciones naturales pero que sí podrían ser alcanzables mediante estrategias de ingeniería biológica. En cualquier caso, el morfoespacio supone una herramienta muy útil para plantear las posibilidades de éxito que tendrían nuevos diseños biológicos.

Referencia bibliográfica:

Aina Ollé-Vila, Salva Duran-Nebreda, Núria Conde-Pueyo, Raúl Montañez, Ricard Solé. “A morphospace for synthetic organs and organoids: the possible and the actual”. Integrative Biology 8:485-503 abril de 2016. DOI: 10.1039/C5IB00324E

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