Un elefante impreso en 3D dentro de una célula viva marca un hito en la bioingeniería.

Los avances en bioingeniería siguen desplazando la frontera entre la realidad y lo que antes considerábamos puramente fantástico. Desde la edición genética con el sistema CRISPR-Cas y el cultivo de organoides funcionales en placas de Petri, hasta la integración de células cerebrales en microchips, la comunidad científica no deja de sorprendernos con invenciones de vanguardia. Estos hitos no solo representan logros técnicos, sino que transforman por completo vuestra comprensión de lo que es posible hacer con la materia viva y cómo podemos interactuar con ella a escalas que antes eran invisibles para el ojo humano.

Ahora, por primera vez, un equipo de investigadores del Departamento de Física de la Materia Condensada del Instituto Jožef Stefan en Liubliana, Eslovenia, ha establecido un método para imprimir en 3D estructuras microscópicas dentro de células humanas vivas. Para demostrar el nivel de detalle y la versatilidad de esta tecnología, los científicos lograron imprimir un elefante diminuto, junto con otros objetos geométricos microscópicos y códigos de barras para el etiquetado celular, directamente en el interior de una célula. Este avance supone un cambio de paradigma, ya que permite la manipulación interna de la maquinaria celular sin destruir su integridad biológica.

En su estudio, publicado en la prestigiosa revista Advanced Materials, el equipo demostró que estas estructuras pueden fabricarse directamente en el citoplasma de células vivas. Lo más sorprendente es que las células no solo sobrevivieron al proceso, sino que permanecieron viables y continuaron dividiéndose a pesar de contener estos objetos extraños en su interior. Este experimento de prueba de concepto podría allanar el camino para la creación de máquinas y dispositivos microscópicos construidos directamente en las células, lo que os permitiría comprender mejor cómo funcionan y, potencialmente, mejorar o expandir sus propiedades naturales.

Según Maruša Mur, investigadora del Instituto Jožef Stefan y coautora del estudio, este método proporciona una herramienta inédita para manipular las células desde dentro. Esto habilita un enfoque completamente nuevo para estudiar sus respuestas mecánicas y biológicas, algo que hasta ahora se limitaba principalmente a estímulos externos. Imaginaos la capacidad de monitorizar la presión interna de una célula o de entregar fármacos de forma ultraprecisa mediante dispositivos fabricados in situ; ese es el futuro que esta investigación empieza a dibujar hoy mismo.

La evolución de la impresión 3D en la biología moderna

Aunque la tecnología de impresión 3D surgió originalmente en la década de 1980, ha sido en la última década cuando ha ganado una tracción global masiva. Hoy en día, es común que muchas personas tengan impresoras 3D en sus hogares para proyectos personales, pero más allá de la fabricación de piezas de plástico o prototipos industriales, esta tecnología se ha convertido en una herramienta indispensable en múltiples campos científicos. En el ámbito de la biología, la impresión 3D se practica fundamentalmente a escala microscópica, buscando imitar la complejidad de los tejidos vivos.

Para alcanzar las resoluciones extremas que requiere la manipulación celular, los técnicos utilizan una técnica conocida como polimerización de dos fotones (TPP, por sus siglas en inglés). En este proceso, se trata una resina fotosensible con un láser de precisión quirúrgica. Al enfocar el láser en un punto específico, se produce una reacción química que solidifica la resina únicamente en ese punto exacto, permitiendo crear objetos con un tamaño de apenas 100 nanómetros. Esta precisión es la que permite que, por primera vez, hayáis pasado de imprimir sobre soportes externos a imprimir dentro de la propia unidad básica de la vida.

Hasta la fecha, los investigadores habían utilizado la técnica TPP para imprimir pequeños andamios o estructuras de soporte destinadas a ayudar en la curación de tejidos. Estas estructuras se fabricaban externamente y luego se introducían o se dejaban que las células crecieran sobre ellas. Sin embargo, nadie había intentado nunca realizar la polimerización directamente en el interior de una célula viva y activa. El equipo de investigación esloveno vio en esto una oportunidad de oro para sentar las bases de una herramienta de bioingeniería intracelular innovadora que podría tener innumerables aplicaciones en el futuro cercano.

La transición de imprimir "para" las células a imprimir "dentro" de ellas requiere un control absoluto sobre la toxicidad de los materiales y la intensidad de la energía aplicada. Si el láser es demasiado potente o la resina es incompatible con la química orgánica, la célula muere instantáneamente. El éxito de este experimento demuestra que se ha encontrado un equilibrio perfecto entre la física de la luz y la biología celular, permitiendo que las estructuras artificiales y los orgánulos naturales coexistan en el mismo espacio microscópico.

El proceso técnico: ¿Cómo se imprime dentro de una célula?

Para llevar a cabo este experimento histórico, los investigadores probaron su técnica en células HeLa vivas. Estas son células cancerosas humanas famosas por su capacidad de dividirse indefinidamente, lo que las hace extremadamente populares y valiosas en la investigación biomédica mundial. El proceso comenzó insertando una microgota de una fotorresina biocompatible directamente en el citoplasma de la célula. Esta resina está diseñada para ser inerte mientras está en estado líquido, evitando que interfiera negativamente con las funciones celulares vitales antes de ser activada.

Una vez que la resina se encontraba en el interior, el equipo utilizó un láser infrarrojo pulsado para polimerizarla y darle la forma 3D deseada. El láser atraviesa la membrana celular sin dañarla, ya que solo interactúa con la resina en el punto focal exacto donde se produce la polimerización de dos fotones. La resina que no fue transformada por el láser se disolvió lentamente de forma natural o fue metabolizada, mientras que la estructura ya polimerizada y sólida permaneció intacta dentro de la célula.

Mediante esta técnica, el equipo imprimió diversas formas complejas para demostrar el potencial de la herramienta. Entre ellas destacaron estructuras de código de barras, diseñadas específicamente para el etiquetado y seguimiento individual de células en cultivos masivos. También crearon formas geométricas similares a pilas de madera y otros objetos intrincados. Sin duda, el hito más llamativo fue la impresión de un elefante de tan solo 10 micrómetros de longitud. Este pequeño paquidermo microscópico sirve como testimonio de la impresionante resolución y detalle que esta tecnología puede alcanzar en un entorno tan dinámico y fluido como el interior de una célula.

La elección de las células HeLa no fue casual. Al ser células con una actividad metabólica muy alta y una capacidad de proliferación constante, representaban el entorno más desafiante para probar la estabilidad de las estructuras impresas. Si el elefante o los códigos de barras podían sobrevivir en una célula HeLa, era muy probable que pudieran hacerlo en casi cualquier otro tipo celular. El éxito del procedimiento abre la puerta a la personalización de las células, permitiendo que cada una de ellas porte su propia "identificación" o incluso sus propias herramientas de trabajo internas.

Viabilidad celular y el éxito de la división biológica

Uno de los mayores temores de los científicos al iniciar este proyecto era cómo impactarían estos objetos artificiales en la viabilidad de la célula a largo plazo. Una célula no es simplemente un saco de líquido; es un sistema altamente complejo y sensible donde cada orgánulo tiene un lugar y una función. Introducir un objeto sólido y extraño podría, en teoría, interrumpir el transporte intracelular, dañar el citoesqueleto o inducir la apoptosis (muerte celular programada). Sin embargo, los resultados fueron sorprendentemente positivos y alentadores para la comunidad científica.

Los investigadores informaron de que las células no solo mantuvieron las estructuras en su interior sin mostrar signos de estrés significativo, sino que tampoco intentaron expulsarlas o rechazarlas. Lo más fascinante fue observar cómo las células continuaron con su ciclo de vida normal. El estudio documentó cómo las células HeLa siguieron dividiéndose, y durante este proceso, la estructura impresa era heredada por una de las dos células hijas resultante de la mitosis. Este hecho es fundamental, ya que sugiere que las máquinas intracelulares del futuro podrían transmitirse a través de generaciones celulares sin necesidad de intervenciones adicionales.

Esta capacidad de supervivencia demuestra que el citoplasma tiene una flexibilidad mecánica mucho mayor de lo que se pensaba. Las estructuras impresas, aunque rígidas en comparación con el entorno fluido, parecen integrarse de manera pasiva. Los investigadores observaron que el citoesqueleto de la célula se reorganizaba ligeramente para acomodar al "invitado" de resina, lo que abre nuevas preguntas sobre la biomecánica celular. ¿Hasta qué punto podemos llenar una célula con tecnología antes de que deje de ser funcional? Esa es una de las preguntas que los científicos intentarán responder en sus próximos estudios.

Además, el hecho de que las estructuras permanezcan estables dentro de las células durante días abre la puerta a estudios longitudinales. Si podéis imprimir un sensor dentro de una célula y ver cómo cambian sus mediciones a lo largo de varias divisiones celulares, tendréis una ventana sin precedentes al envejecimiento celular, la progresión de enfermedades como el cáncer o la respuesta a tratamientos farmacológicos en tiempo real y desde el epicentro de la acción biológica.

El futuro de la medicina: Diagnóstico y tratamiento intracelular

A pesar de que esta técnica se encuentra todavía en una fase temprana de desarrollo, el experimento de prueba de concepto realizado en Eslovenia ha demostrado lo que es posible y ya se están planteando aplicaciones revolucionarias en campos como la biomecánica, la bioelectrónica y la medicina de precisión. Uno de los usos más prometedores es la entrega de fármacos dirigida de forma ultraespecífica. En lugar de inundar el cuerpo con una sustancia, se podrían imprimir dispositivos que liberen el medicamento solo cuando detecten ciertas señales químicas dentro de la propia célula enferma.

En el ámbito de la biomecánica, estos objetos impresos podrían actuar como sensores de fuerza internos. Podríais medir con una precisión asombrosa cómo se contraen las células musculares o cómo se deforman las células ante diferentes presiones externas. Esto sería vital para entender enfermedades donde la rigidez celular juega un papel clave, como ocurre en ciertas metástasis cancerosas o en enfermedades cardiovasculares. La capacidad de tener un "manómetro" o un "acelerómetro" dentro de una célula viva parece hoy más cerca que nunca.

La bioelectrónica también se verá beneficiada. En el futuro, los investigadores podrían desarrollar la tecnología necesaria para imprimir diminutos circuitos o máquinas dentro de las células que expandan nuestro conocimiento sobre las funciones biológicas. Imaginad células capaces de comunicarse con dispositivos externos a través de señales eléctricas generadas por componentes internos impresos en 3D. Esto no solo nos permitiría monitorizar la salud a un nivel celular constante, sino que también podría transformar la forma en que interactuamos con las prótesis y otras interfaces cerebro-máquina.

Además, la personalización de la terapia genética y celular podría dar un salto cualitativo. Si podemos imprimir estructuras que guíen el crecimiento de ciertos orgánulos o que bloqueen físicamente procesos patológicos dentro de la célula, estaríamos creando una nueva categoría de medicina: la medicina estructural intracelular. Esto va más allá de la química de los fármacos tradicionales; se trata de usar la ingeniería y la física para corregir problemas biológicos desde el mismo lugar donde se originan.

Células cíborg: Expandiendo los límites de la naturaleza

La posibilidad de crear lo que algunos científicos ya denominan "células cíborg" es quizás la perspectiva más fascinante y, al mismo tiempo, la que más debates genera. Al integrar componentes artificiales avanzados directamente en la arquitectura biológica, podríais otorgar a las células capacidades que van más allá de sus límites naturales. Esto no se limita solo a la reparación de funciones dañadas, sino a la mejora de habilidades biológicas existentes, como una mayor resistencia a la radiación, una capacidad metabólica optimizada o una longevidad extendida.

Estas células híbridas podrían utilizarse para limpiar toxinas del torrente sanguíneo de forma más eficiente que cualquier órgano natural, o para patrullar el cuerpo en busca de células cancerosas incipientes, eliminándolas mecánicamente mediante nanodispositivos integrados. La ingeniería celular, que hasta ahora se centraba principalmente en la modificación del ADN, se expande ahora hacia la ingeniería física y estructural. Estamos entrando en una era donde la distinción entre lo biológico y lo fabricado se vuelve cada vez más borrosa.

Sin embargo, este avance también trae consigo importantes desafíos éticos y técnicos. A medida que avancéis en la capacidad de modificar la vida a este nivel, tendréis que plantearos cuestiones sobre la identidad biológica y los límites de la intervención humana. ¿Cuál es el impacto a largo plazo de introducir materiales sintéticos en la línea germinal si estas estructuras llegaran a afectar a las células reproductoras? Aunque actualmente estamos hablando de cultivos de laboratorio y células HeLa, el camino hacia aplicaciones en organismos complejos requerirá una regulación estricta y una reflexión profunda.

A nivel técnico, el siguiente gran reto es la miniaturización de los sistemas láser y la creación de fotorresinas aún más inteligentes que puedan interactuar activamente con las proteínas celulares. El objetivo final es que estas estructuras impresas no sean solo objetos estáticos como el elefante microscópico, sino máquinas dinámicas que puedan moverse, cambiar de forma y responder a estímulos externos. La ciencia ficción nos prometió nanobots viajando por nuestra sangre; la realidad nos dice que esos nanobots podrían ser impresos directamente dentro de nuestras propias células por nosotros mismos.

Fuentes

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202409012

https://www.eurekalert.org/news-releases/1112152

https://www.ijs.si/ijsw/Vesti/2024/3D_printing_inside_living_cells

https://www.advancedsciencenews.com/3d-printing-microstructures-inside-living-cells/