Con l’aiuto della stampa 3D e dell’elettrospinning, un team di bioingegneri del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine guidato da Anthony Atala sta coltivando tessuti e organi vitali per i pazienti. Mentre molti di questi organi stampati in 3D rimangono nella fase di ricerca, alcuni dovrebbero essere pronti per i test clinici entro un anno o due.
Per più di 25 anni, Atala ha lavorato sulla generazione di cellule tissutali in laboratorio. Dalle dita e le orecchie ai reni e ai cuori, il suo team può ora creare 40 diverse strutture di organi e tessuti.

Che cos’è l’elettrospinning?

Queste procedure iniziano prendendo un piccolo campione di cellule del paziente dalla zona bioingegneri stanno cercando di ricreare. Ad esempio, per la pelle, hanno bisogno solo di un innesto grande quanto un francobollo. Poi, all’interno di un bioreattore, replicano quelle cellule fino a quando non c’è abbastanza per far crescere l’organo.

I bioprinter 3D depositano diversi tipi di celle nel modo in cui una stampante 3D a colori deposita diversi tipi di polimero. Foto: Wake Forest

Il passo successivo è costruire la matrice extracellulare, o scaffold, su cui si formano le cellule. Il team quindi semina la matrice con promotori della crescita e sostanze biochimiche che spingono le cellule a svilupparsi in modi specifici. La matrice fornisce anche forze meccaniche che modellano lo sviluppo delle cellule.
Per realizzare strutture, come la pelle o i vasi sanguigni, il laboratorio utilizza l’elettrospinning, una tecnica di stampa 3D che ricorda le macchine utilizzate per girare lo zucchero in zucchero filato.
I bioingegneri usano questa tecnica per far girare un polimero idrogel ad alta velocità, costringendo il polimero ad allungarsi in lunghi filamenti di fibra. Quindi posizionano un’asta sottile al centro della macchina. Le fibre di idrogel aderiscono all’asta proprio come lo zucchero filato soffice si attacca a un cono di carta. Gli scienziati manipolano la forma del polimero spugnoso variando la tensione fino a quando non hanno imitato la struttura che stanno creando.
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Una volta che i ricercatori raggiungono la forma desiderata, spruzzano le cellule dal bioreattore sulla matrice, stratificandola ripetutamente per abbinare le strutture naturali. Per ricreare la pelle, ad esempio, inizierebbero applicando le cellule dallo strato sottocutaneo e poi quelle dal derma e dall’epidermide.
Una volta stratificata sulla matrice, la struttura viene posta in un incubatore che imita le condizioni del corpo umano. Lì, questa combinazione di matrice, sostanze biochimiche e cellule inizia ad assumere una vita propria, usando la matrice come guida.

Sebbene questa tecnica sia perfetta per strutture semplici e leggere, come la pelle e i vasi sanguigni, manca la precisione e la capacità di creare solide strutture tridimensionali come un cuore.

Come stampare organi solidi?

Per creare un organo solido, i ricercatori hanno bisogno di un modo per promuovere la crescita dei vasi sanguigni in modo che ogni cellula dell’organo riceva l’ossigeno e le sostanze nutritive e possa eliminare i rifiuti. La creazione di questi alberi dei vasi sanguigni, che si diramano dalle grandi arterie nei vasi più piccoli, ha messo in difficoltà i ricercatori per decenni. Eppure il team di Atala ha sviluppato un paio di potenziali soluzioni.

Una delle numerose stampanti 3D progettate per stampare celle. Foto: Wake Forest

La prima soluzione inizia con un organo donatore esistente, come un fegato. In primo luogo, i bioingegneri di Wake Forest lo mettono in uno shaker, molto simile a una lavatrice, con detergenti delicati per circa due settimane.
” Dopo aver attraversato lo shaker, si poteva tenere l’organo e sarebbe guardare e sentire come l’organo, ma non avrebbe cellule, ” Atala ha detto. “Essenzialmente, avevamo conservato lo scheletro dell’organo.”
Questo scheletro è fatto di collagene, una proteina che si trova nel tessuto connettivo del corpo e nelle sue matrici extracellulari. Come la matrice elettrospun, la matrice di collagene fornisce la struttura e le forze meccaniche di cui le cellule hanno bisogno per dividere e assumere funzioni legate all’organo. Lo scheletro dell’organo viene quindi depositato con le cellule epatiche del paziente, che ripopolano l’organo, riportandolo in vita con molte delle funzioni di un fegato umano.
Anche se questo metodo è promettente, significa ancora in attesa di un organo donatore con cui lavorare. La stampa 3D può offrire un modo per aggirare questo. Questo metodo richiede molta più comprensione dell’organo stesso, ma promette di liberare i pazienti dall’attesa di un organo donatore.
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“C’è così tanto in un organo come il cuore che non possiamo vedere a meno che non partiamo da zero”, ha detto Atala. “Stiamo guardando la struttura da una prospettiva a 360 gradi per assicurarci di poter replicare la funzionalità dell’organo in ogni modo possibile, altrimenti non sopravviverà.”
Un modo per farlo è quello di continuare a costruire organi e imparare dalle build. A tal fine, Atala e il suo team hanno progettato oltre una dozzina di stampanti per eseguire i complessi processi di costruzione di un organo solido. Le stampanti funzionano come stampanti a getto d’inchiostro a colori, ma invece di inchiostro, le loro cartucce contengono celle segregate per tipo.
Per iniziare, il bioprinter viene caricato con informazioni sul paziente e sugli organi, un progetto di cosa costruire. Attraverso un sistema di ugelli, la stampante deposita strati di cellule come un gel denso. Questo genera lentamente la struttura dell’organo preservando la vita delle cellule incorporate al suo interno.
Mentre il team sta ancora padroneggiando questa forma topografica di ingegneria, la stampa 3D offre ai ricercatori la possibilità di elaborare i dettagli. Attraverso tentativi ed errori, hanno programmato con successo le stampanti per depositare anche i vasi sanguigni più piccoli all’interno di un organo complesso.

La bioprinting 3D è il futuro del trapianto di organi?

Non importa quale di queste tecniche il team utilizza, ci vogliono circa quattro-sei settimane per costruire un sostituto sano per un paziente. Poiché il tessuto o l’organo sostitutivo è costituito dalle cellule del paziente, non vi è praticamente alcuna probabilità di rigetto, il che significa che i pazienti guariscono più velocemente che mai e non hanno bisogno di assumere farmaci per impedire al loro sistema immunitario di attaccare il trapianto.
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“Per essere in grado di creare queste strutture con le cellule di un paziente a dove realmente possono adattarsi e guarire, questa è la speranza per noi,” Atala ha detto. “Vogliamo assicurarci di poter raggiungere il maggior numero possibile di pazienti.”
Atala dice che le strutture più semplificate come la pelle e i vasi sanguigni hanno già avuto prove umane di successo e saranno in clinica entro un paio di anni. Gli organi solidi richiederanno molto più tempo.
E ‘ stato un viaggio notevole per Atala e i suoi progressi hanno gettato le basi e la base di conoscenze per la generazione di tessuti di cellule umane di successo.
Cassie Kelly è uno scrittore di ingegneria e ambientale con sede a Columbus, Ohio.
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