Imprimen en 3D el primer cerebro del mundo de alta resolución

Visualmente, este “cerebro fantasma” no tiene mucho que ver con un cerebro real. Es mucho más pequeño y tiene forma de cubo

En un proyecto conjunto entre TU Wien y MedUni Vienna se ha desarrollado el primer “fantasma cerebral” impreso en 3D del mundo, que se basa en la estructura de las fibras cerebrales y del que se pueden obtener imágenes mediante una variante especial de la resonancia magnética (dMRI).

Como ha demostrado en un estudio un equipo científico dirigido por TU Wien y MedUni Vienna, estos modelos cerebrales pueden utilizarse para avanzar en la investigación de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, el Parkinson y la esclerosis múltiple. El trabajo de investigación fue publicado en la revista “Advanced Materials Technologies”.

La resonancia magnética (MRI) es una técnica de diagnóstico por imágenes ampliamente utilizada que se utiliza principalmente para examinar el cerebro. La resonancia magnética se puede utilizar para examinar la estructura y función del cerebro sin el uso de radiación ionizante. En una variante especial de la resonancia magnética, la resonancia magnética ponderada por difusión (dMRI), también se puede determinar la dirección de las fibras nerviosas en el cerebro. Sin embargo, es muy difícil determinar correctamente la dirección de las fibras nerviosas en los puntos de cruce de los haces de fibras nerviosas, ya que allí se superponen fibras nerviosas con diferentes direcciones.

Para mejorar aún más el proceso y probar los métodos de análisis y evaluación, un equipo internacional, en colaboración con la Universidad Técnica de Viena y la Universidad de Medicina de Viena, desarrolló el llamado “cerebro fantasma”, que se produjo mediante un proceso de impresión 3D de alta resolución.

Pequeño cubo con microcanales

Investigadores de la Universidad de Medicina de Viena, expertos en resonancia magnética, y de TU Wien, expertos en impresión 3D, trabajaron en estrecha colaboración con colegas de la Universidad de Zúrich y el Centro Médico Universitario de Hamburgo-Eppendorf. En 2017, se desarrolló en la Universidad Técnica de Viena una impresora de polimerización de dos fotones que permite una impresión a mayor escala. En este contexto también se trabajó en colaboración con la Universidad de Medicina de Viena y la Universidad de Zúrich sobre fantasmas cerebrales como caso de aplicación. La patente resultante constituye la base del cerebro fantasma que ahora se ha desarrollado y está siendo supervisado por el equipo de Apoyo a la Investigación y Transferencia de TU Wien. Visualmente, este fantasma no tiene mucho que ver con un cerebro real. Es mucho más pequeño y tiene forma de cubo. En su interior hay microcanales extremadamente finos llenos de agua del tamaño de nervios craneales individuales. Los diámetros de estos canales son cinco veces más finos que un cabello humano.

Para imitar la fina red de células nerviosas del cerebro, el equipo de investigación dirigido por los primeros autores Michael Woletz (Centro de Física Médica e Ingeniería Biomédica, MedUni Viena) y Franziska Chalupa-Gantner (grupo de investigación de Impresión 3D y Biofabricación, TU Wien ) utilizó un método de impresión 3D bastante inusual: la polimerización de dos fotones.

Este método de alta resolución se utiliza principalmente para imprimir microestructuras en el rango de nanómetros y micrómetros, no para imprimir estructuras tridimensionales en el rango de milímetros cúbicos. Para crear fantasmas de un tamaño adecuado para dMRI, los investigadores de TU Wien han estado trabajando para ampliar el proceso de impresión 3D y permitir la impresión de objetos más grandes con detalles de alta resolución. La impresión 3D a gran escala proporciona a los investigadores muy buenos modelos que, cuando se observan con dMRI, permiten asignar diferentes estructuras nerviosas.

Michael Woletz compara este enfoque para mejorar las capacidades de diagnóstico de la dMRI con el funcionamiento de la cámara de un teléfono móvil: “Vemos el mayor progreso en fotografía con cámaras de teléfonos móviles no necesariamente en lentes nuevos y mejores, sino en el software que mejora las imágenes capturadas. La situación es similar con la dMRI: con el fantasma cerebral recientemente desarrollado podemos ajustar el software de análisis de manera mucho más precisa y así mejorar la calidad de los datos medidos y reconstruir con mayor precisión la arquitectura neuronal del cerebro”.

Software de análisis de trenes fantasma cerebrales

Por ello, la reproducción auténtica de las estructuras nerviosas características del cerebro es importante para “entrenar” el software de análisis dMRI. El uso de la impresión 3D permite crear diseños diversos y complejos que pueden modificarse y personalizarse. Los fantasmas cerebrales representan áreas del cerebro que generan señales particularmente complejas y, por lo tanto, difíciles de analizar, como por ejemplo las vías nerviosas que se cruzan. Para calibrar el software de análisis, se examina el cerebro fantasma mediante dMRI y los datos medidos se analizan como en un cerebro real. Gracias a la impresión 3D, se conoce con precisión el diseño de los fantasmas y se pueden comprobar los resultados del análisis. TU Wien y MedUni Vienna pudieron demostrar que esto funciona como parte del trabajo de investigación conjunto.

Los fantasmas desarrollados se pueden utilizar para mejorar la dMRI, lo que puede beneficiar la planificación de operaciones y la investigación de enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer, el Parkinson y la esclerosis múltiple. A pesar de la prueba de concepto, el equipo aún enfrenta desafíos. El mayor desafío en este momento es ampliar el método: “La alta resolución de la polimerización de dos fotones permite imprimir detalles en el rango micro y nanométrico y, por lo tanto, es muy adecuado para obtener imágenes de los nervios craneales. , se necesita mucho tiempo para imprimir un cubo de varios centímetros cúbicos con esta técnica”, explica Chalupa-Gantner. “Por lo tanto, no sólo pretendemos desarrollar diseños aún más complejos, sino también optimizar aún más el proceso de impresión”.

Fuente: Imprimen en 3D el primer cerebro del mundo de alta resolución