Cientistas coreanos testam o uso da bioimpressão na cirurgia de nariz

Cartilagens autólogas (com enxerto de tecido ou órgão do próprio paciente) ou mesmo implantes nasais sintéticos têm sido usados em cirurgias de nariz (rinoplastia aumentativa) para reconstruir a forma nasal do paciente. A chamada “cartilagem autóloga” é considerada o tipo de enxerto ideal, mas tem suas desvantagens, como fonte limitada de cartilagem, requisitos de cirurgia adicional para a obtenção de cartilagem autóloga e morbidade do local doador. Em contraste, os implantes nasais sintéticos são abundantemente disponíveis, mas possuem baixa biocompatibilidade quando comparados às cartilagens autólogas.

Além disso, os enxertos de cartilagem nasal usados ​​atualmente envolvem processos adicionais de remodelagem, com entalhe manual meticuloso durante a cirurgia para ajustar-se à forma diversa do nariz de cada paciente. Com isso, as formas finais dos implantes adaptados manualmente são altamente dependentes da proficiência dos cirurgiões e, muitas vezes, resultam em insatisfação do paciente e até em separação indesejada do implante no futuro. Mas, e se a bioimpressão e a engenharia de tecidos pudessem alterar drasticamente esse resultado?

Um estudo publicado recentemente no Journal of Tissue Engeneering por cientistas coreanos busca estabelecer um procedimento sequencial estruturado em CAD a fimde gerar um modelo 3D de implante nasal personalizado, para ser bioimpresso com uma injeção de hidrogel a partir da cartilagem contendo células-tronco derivadas de tecido adiposo do paciente. A cartilagem nasal assim manipulada foi testada em um camundongo com sucesso, tendo formado tecidos cartilaginosos por 12 semanas.

A intenção dos pesquisadores — ao combinarem o modelo 3D personalizado, bioimpressão e hidrogel derivado de tecido do próprio paciente — é justamente a de reproduzir o procedimento com sucesso para a geração de implantes de outros tipos de tecidos no futuro.

Neste artigo, descrevemos resumidamente como os cientistas coreanos chegaram aos resultados esperados.

Porque a escolha da tecnologia de impressão 3D?

A impressão 3D é uma tecnologia emergente no campo da engenharia de tecidos e medicina regenerativa devido a seus benefícios de construir um implante do paciente a partir de um arquivo 3D manipulado por CAD/CAM. Em uma consulta pré-operatória para um paciente submetido a uma rinoplastia, o software de simulação de cirurgia virtual é amplamente usado para determinar a forma nasal reconstruída do paciente. Com base na forma nasal reconstruída desejada, as diferenças geométricas de forma e tamanho podem ser calculadas digitalmente e o implante nasal personalizado pode ser produzido por tecnologia de impressão 3D, incluindo CAD/CAM.

Como o software de simulação virtual fornece um modelo facial pós-operatório baseado em computação gráfica, é possível predizer a forma aumentada do nariz e o equilíbrio facial geral. Portanto, um enxerto nasal impresso em 3D alcançaria a forma do nariz com erro minimizado do modelo nasal virtual em simulação, devido à coincidência de forma e tamanho entre o objeto impresso e o objeto desenhado.

Além disso, a técnica de impressão 3D permite que vários materiais sejam construídos por fabricação de forma livre, o que envolve uma seleção de biomateriais eficazes para a regeneração de um tipo de tecido específico. Os implantes nasais sintéticos tradicionais estão permanentemente presentes no corpo do paciente e podem causar uma variedade de complicações, incluindo infecção e reações imunes. Já um implante nasal impresso em 3D poderia ser considerado um enxerto adequado para a rinoplastia aumentativa, já que pode ser projetado para atender a forma específica do paciente, além de ser feito de materiais biodegradáveis selecionados para reduzir as complicações pós-operatórias.

Materiais usados na Bioimpressão

Hidrogéis – incluindo fibroína de seda, alginato, fibrina e hidrogel derivado de matriz extracelular descelularizada (dECM) – têm sido usados como materiais de estruturas (scaffolds) para células, devido ao seu ambiente de matriz extracelular (ECM) que promove o crescimento e a maturação celular. Dentre estes hidrogéis, os derivados de dECM que retêm sinais bioquímicos específicos de tecido têm mostrado excelente capacidade regenerativa. Apesar dessa capacidade, os hidrogéis derivados de dECM geralmente têm baixa capacidade de auto-sustentação devido à baixa viscosidade e propriedades mecânicas, que inevitavelmente dificulta sua capacidade de se transformar em estruturas 3D grandes e complexas.

Para este estudo, um implante de cartilagem nasal com um design personalizado foi projetado por uma série de processos, incluindo impressão 3D de um implante nasal e uma injeção de hidrogel carregado de células para aplicação de rinoplastia aumentativa. Um algoritmo foi aplicado para analisar as formas dos narizes pré-operatórios e pós-operatórios virtuais e para gerar o arquivo 3D do implante nasal personalizado. A arquitetura interna octaédrica foi incluída no modelo do implante nasal usando um software CAD (descrito melhor abaixo). Um hidrogel derivado de cartilagem foi aplicado para formular uma mistura de células-tronco humanas derivadas de tecido adiposo (hASCs) e hidrogel, e uma técnica de injeção foi estabelecida para preencher a arquitetura interna dos implantes nasais com o hidrogel carregado de células. A diferenciação das hASCs em uma linhagem condrogênica no hidrogel derivado da cartilagem e a formação da matriz cartilaginosa no implante de cartilagem nasal manipulada in vitro foram avaliadas.

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O resultado obtido foi que a cartilagem nasal implantada na região subcutânea do camundongo demonstrou formação marcante de tecido de cartilagem e características biológicas semelhantes ao tecido nativo na estrutura personalizada impressa em 3D. O implante de cartilagem nasal manipulado exibiu valiosos benefícios na regeneração da cartilagem, alcançando os méritos de um enxerto nasal autólogo e um implante nasal sintético. Por conta disso, os pesquisadores envolvidos no projeto esperam que o processo desenvolvido combinando CAD, impressão 3D e o uso de hidrogel derivado de cartilagem também seja favorável para a geração de implantes de outros tipos de tecidos do corpo humano.

Criação do arquivo 3D de implantes nasais

Os cientistas usaram o software FaceGen para converter imagens faciais bidimensionais – vistas frontal e lateral – em um modelo facial 3D e a partir dele reconstruir o rosto, incluindo o nariz. A Figura 1 (a) mostra o modelo facial 3D obtido, com o nariz aumentado. Um algoritmo desenvolvido para este estudo gerou o modelo de enxerto nasal usando os dois dados da superfície nasal extraídos do modelo nasal original modificado. Os modelos faciais (com narizes originais e aumentados) foram transformados em modelos de superfície de malha. Em cada modelo de superfície, regiões arbitrárias foram definidas ao redor do nariz, e matrizes foram geradas para os valores de coordenadas x, y e z de cada nó nas regiões correspondentes.

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A forma externa do implante nasal foi gerada pelo cálculo da diferença entre as duas matrizes (Figura 1). Os dados do modelo gerado foram exportados para o formato padrão para impressão 3D (STL). O software InStep foi usado para converter os dados do arquivo STL em um modelo sólido de formato de arquivo chamado STEP. A arquitetura interna (forma octaédrica, tamanho da unidade: 2 mm x 2 mm x 2 mm, largura da haste: 300 µm) foi projetada em um estudo anterior e combinada com o modelo de enxerto nasal para gerar a arquitetura octaédrica interna dos implantes nasais.

Fabricação da estrutura do implante nasal e molde de cobertura

A cirurgia de nariz (rinoplastia aumentativa) tem por finalidade aumentar o volume global do nariz, tendo o pro nasal como centro. Aqui, o algoritmo gerado pelo software de modelagem 3D faz o cálculo matemático da forma exterior do modelo de implante nasal a partir da diferença entre o nariz aumentado virtualmente (projeção do resultado da operação) e o nariz original. O CAD cria a arquitetura octaédrica interior no modelo final de implante nasal 3D que pode ser fabricado por uma técnica de impressão 3D. A inclinação e a dimensão do implante nasal impresso em 3D varia de acordo com a forma nasal de cada paciente. Para o estudo em questão, o implante nasal foi impresso com base nos dados da geometria facial de um determinado paciente.

Para testar a técnica de injeção de hidrogel carregado de células, os scaffolds em forma de cubo e os moldes de cobertura foram impressos valendo-se do mesmo processo usado para o implante nasal (Figura 2 (a)). Os scaffolds tinham um volume de 6 mm x 6 mm x 6 mm e os moldes de cobertura o tamanho de 2 mm x 2 mm x 2 mm. As partes do molde e os scaffolds foram montados, e nenhum vazamento foi observado durante a injeção do hidrogel carregado com hASCs usando uma seringa de 1,0 mm (Figura 2 (b)). A análise qualitativa da distribuição das células pela técnica de injeção mostrou uma eficiência de processo de amadurecimento 2,3 vezes maior e uma distribuição celular mais uniforme do que o que ocorre em células comuns (Figura 2 (c)).

Uma cartilagem nasal pré-fabricada

Os moldes de cobertura e os implantes nasais foram fabricados com sucesso e permitiram a injeção de hidrogel carregado de hASC nos implantes nasais para gerar a cartilagem nasal manipulada (Figura 3 (a)). Um número substancial de células vivas foi distribuído uniformemente por toda a arquitetura interna do implante. As células tanto do alginato quanto do hidrogel derivado da cartilagem mantiveram alta viabilidade em uma cultura de longo prazo (Figura 3 (b)).

A rinoplastia aumentativa é uma cirurgia estética muito popular na Ásia atualmente. A maioria dos implantes nasais – incluindo cartilagem autóloga e enxertos sintéticos – é modificada por meio de corte manual durante a cirurgia de nariz, visando atender a forma desejada pelo paciente. A forma nasal pós-operatória está intimamente relacionada, portanto, à subjetividade, experiência e principalmente à habilidade do cirurgião plástico. Como resultado, mais de 16% dos pacientes acabam insatisfeitos com os resultados da (caríssima) cirurgia que fizeram, ou mesmo aguardam na fila para operar outra vez. Além disso, podem haver problemas relacionados à rejeição imunológica e infecção. Embora as cartilagens autólogas tenham demonstrado excelente enxerto, elas apresentam limitações, como a necessidade de cirurgias adicionais, a baixa capacidade de auto regeneração da pele, alta taxa de morbidade do doador e disponibilidade limitada.

A impressão 3D emergiu na Medicina como uma ferramenta poderosa para a produção de construções volumétricas de acordo com a anatomia específica de um paciente. Em particular, os implantes protéticos impressos em 3D aplicados à reconstruções do crânio-maxilar-facial. Os contornos 3D precisos, baseados nos dados de tomografia computadorizada (TC) dos pacientes, facilitam e reduzem o tempo de cirurgia, bem como os erros geométricos entre os implantes e defeitos e, assim, são capazes de reduzir também as complicações relacionadas. No entanto, os implantes prostéticos têm menor capacidade de reparar e regenerar tecidos, porque esses processos dependem quase exclusivamente da migração de tecido do doador das células para o paciente.

O tecido manipulado incorporado com células e biomateriais, por outro lado, tem se destacado como um enxerto ideal devido à alta eficiência regenerativa resultante das células entregues. No entanto, até o momento, existem poucos estudos sobre a engenharia tecidual com arquivo 3D personalizado do paciente devido às enormes dificuldades existentes hoje em dia ao gerar construções de tecidos vivos em escala humana. O processo para gerar cartilagem nasal específica para um determinado paciente apresentado neste artigo é substancialmente diferente das abordagens convencionais. Os resultados fornecem uma prova de conceito (PoC) para aplicar a tecnologia de impressão 3D à engenharia de tecidos.

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