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Vol. 54. Num. 1.January 2018
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Vol. 54. Num. 1.January 2018
Pages 1-58
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DOI: 10.1016/j.arbres.2017.09.002
Bioengineered Lungs: A Challenge and An Opportunity
Pulmones biofabricados: un desafío y una oportunidad
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Ramon Farréa,b,c,
Corresponding author
rfarre@ub.edu

Corresponding author.
, Jordi Oteroa,b, Isaac Almendrosa,b,c, Daniel Navajasa,b,d
a Unitat Biofísica i Bioenginyeria, Facultat de Medicina i Ciències de la Salut, Universitat de Barcelona, Barcelona, Spain
b CIBER de Enfermedades Respiratorias, Madrid, Spain
c Institut Investigacions Biomèdiques August Pi Sunyer, Barcelona, Spain
d Institut de Bioenginyeria de Catalunya, The Barcelona Institute of Science and Technology, Barcelona, Spain
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Abstract

Lung biofabrication is a new tissue engineering and regenerative development aimed at providing organs for potential use in transplantation. Lung biofabrication is based on seeding cells into an acellular organ scaffold and on culturing them in an especial purpose bioreactor. The acellular lung scaffold is obtained by decellularizing a non-transplantable donor lung by means of conventional procedures based on application of physical, enzymatic and detergent agents. To avoid immune recipient's rejection of the transplanted bioengineered lung, autologous bone marrow/adipose tissue-derived mesenchymal stem cells, lung progenitor cells or induced pluripotent stem cells are used for biofabricating the bioengineered lung. The bioreactor applies circulatory perfusion and mechanical ventilation with physiological parameters to the lung during biofabrication. These physical stimuli to the organ are translated into the stem cell local microenvironment – e.g. shear stress and cyclic stretch – so that cells sense the physiological conditions in normally functioning mature lungs. After seminal proof of concept in a rodent model was published in 2010, the hypothesis that lungs can be biofabricated is accepted and intense research efforts are being devoted to the topic. The current experimental evidence obtained so far in animal tests and in ex vivo human bioengineered lungs suggests that the date of first clinical tests, although not immediate, is coming. Lung bioengineering is a disrupting concept that poses a challenge for improving our basic science knowledge and is also an opportunity for facilitating lung transplantation in future clinical translation.

Keywords:
Tissue engineering
Regenerative medicine
Lung transplantation
Lung repair
Lung regeneration
Resumen

La biofabricación de pulmones es un nuevo desarrollo en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa destinada a proporcionar órganos que se podrían usar para trasplante. Se basa en la siembra de células en un andamio acelular del órgano y su cultivo en un biorreactor específico. El andamio acelular se obtiene descelularizando un pulmón no trasplantable por medio de procedimientos convencionales basados en agentes físicos, enzimáticos y detergentes. Para evitar el rechazo inmunitario del receptor del pulmón una vez trasplantado, en la biofabricación se usan células madre autólogas mesenquimales derivadas de médula ósea/tejido adiposo, células progenitoras de pulmón o células madre pluripotentes inducidas. El biorreactor aplica perfusión circulatoria y ventilación mecánica con parámetros fisiológicos al pulmón durante el proceso. Estos estímulos físicos al órgano se traducen en el microambiente local de la célula madre —por ejemplo, tensión de cizallamiento y estiramiento cíclico— para que las células perciban las condiciones fisiológicas típicas en el pulmón maduro con funcionamiento normal. Tras la publicación en 2010 de la prueba de concepto en un modelo de roedor, se ha aceptado la hipótesis de que los pulmones pueden ser biofabricados y se están dedicando grandes esfuerzos de investigación a este tema. Las pruebas experimentales obtenidas hasta ahora en ensayos con animales y ex vivo en pulmones humanos biofabricados indican que la fecha de las primeras pruebas clínicas, aunque no inmediata, se va acercando. La bioingeniería pulmonar es un concepto disruptivo que nos desafía a mejorar nuestros conocimientos científicos básicos y da una oportunidad para facilitar el trasplante de pulmón en una futura traslación clínica.

Palabras clave:
Ingeniería tisular
Medicina regenerativa
Trasplante de pulmón
Reparación pulmonar
Regeneración pulmonar

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