Bioprinting, la promessa di Itop

Prima di parlare di bioprinting va considerato che ogni organo del corpo umano ha una popolazione di cellule che muoiono, per età o trauma, e vengono sostituite da nuove cellule. Le ossa si rigenerano ogni dieci anni, la pelle ogni due settimane. La sfida si presenta quando c’è un danno: è possibile controllare quel potere? Sì, ed esistono svariate tecniche: biomateriali intelligenti, parti di organi ricostruite con tessuti e cellule specializzate o staminali, uso di impalcature di organi di donatori e riproduzione in 3D di organi completi di impalcatura (collagene), cellule muscolari e cellule specializzate (fegato, rene).

L’ingegneria dei tessuti è la scienza che punta a far crescere in laboratorio tessuti e organi di ricambio per i trapianti. La stampa 3D è un metodo promettente per replicare tessuti e organi. Tuttavia, le stampanti attuali basate su jetting, estrusione e trasferimento indotto da laser non possono produrre strutture con dimensioni o resistenza sufficienti per diventare protesi nel corpo umano. Utilizzando una stampante 3D progettata su misura, gli scienziati di medicina rigenerativa del Wake Forest Baptist Medical Center hanno dimostrato che è possibile stampare strutture di tessuti umani per sostituire tessuto danneggiato o malato. Il sistema è detto Itop, acronimo di Integrated Tissue and Organ Printing system, ed è stato messo a punto nel corso di un periodo di 10 anni. Vengono usati vari tipi di materiale: plastiche biodegradabili per dar forma ai tessuti, idrogel per le cellule ed una forte struttura esterna, temporanea. Al riguardo il team di lavoro ha pubblicato uno studio su Nature del 15 febbraio 2016, a firma di Hyun-Wook Kang, Sang Jin Lee, In Kap Ko, Carlos Kengla, James J. Yoo e Anthony Atala.

Va chiarito che la tecnologia è ancora in fase sperimentale. Viene usata per stampare strutture dell’orecchio, ossee e muscolari: le prove su animali (ratti) mostrano che le strutture maturano in tessuto funzionale e sviluppano un sistema di vasi sanguigni in tempi ragionevoli. I primi risultati indicano che le strutture hanno giuste dimensioni, forza e funzionalità per l’uso nell’uomo. La tecnologia Itop usa i dati di risonanze e tomografie per ottenere organi identici a quelli che vanno a sostituire. «Con un ulteriore sviluppo, la tecnologia potrebbe essere utilizzata per stampare le strutture dei tessuti e degli organi che vivono per impianto chirurgico», ha detto Anthony Atala, direttore dell’Istituto Wake Forest per la medicina rigenerativa (Wfirm) di Winston-Salem, in North Carolina.

Bioprinting, vent’anni di studi

Parte del lavoro di Wake Forest è stato compiuto da oltre 700 ricercatori in un arco di tempo di 20 anni. I primi impianti risalgono a 20 anni fa; alcuni pazienti vivono con organi ingegnerizzati già da 15 anni. Una grande sfida di ingegneria dei tessuti è garantire che le strutture impiantati vivono abbastanza a lungo per integrarsi con il corpo. Gli scienziati di Wake Forest hanno affrontato il problema in due modi: ottimizzando la base d’acqua che tiene le cellule in modo da promuovere la salute e la crescita cellulare e stampando un reticolo di microcanali durante le strutture. Questi canali consentono a nutrienti e ossigeno di diffondersi nelle strutture e tenerle vive mentre sviluppano nuove cellule e un sistema di vasi sanguigni. È stato dimostrato che per sopravvivere, strutture di tessuti prive di vasi sanguigni devono essere inferiori a 200 μm. In questi studi la struttura di un orecchio di bambino (3-4 cm) è sopravvissuta, mostrando segni di vascolarizzazione un mese dopo l’impianto. «I nostri risultati indicano che la combinazione di bioinchiostro con i microcanali offre l’ambiente giusto per mantenere le cellule vive e per sostenere la crescita delle cellule e dei tessuti», ha detto Atala.

Le soluzioni tecniche

Tessuti_UmaniIl sistema usa idrogel cellulari e polimeri sintetici biodegradabili, che conferiscono agli organi resistenza meccanica, superando i precedenti limiti dei tessuti biostampati su dimensione, forma, integrità strutturale e vascolarizzazione. Il macchinario Itop si basa su molteplici moduli multi-dosaggio per fornire vari tipi di cellule e polimeri in un singolo costrutto. Per l’erogazione di cellule in posizioni discrete nella struttura 3D è stato sviluppato e ottimizzato un materiale vettore in forma liquida; i sistemi di ugelli, piuttosto sofisticati, hanno una risoluzione fino a 2 μm per biomateriali e fino al 50 μm per le cellule. Contemporaneamente al tessuto viene realizzato uno stampo in idrogel acellulare esterno, che successivamente si scioglierà. La presenza dello stampo permette al tessuto di acquisire rigidità sufficiente a mantenere la forma, e crea nel contempo un reticolo di microcanali per la diffusione di nutrienti e ossigeno nei tessuti stampati. Per dimostrare che Itop può generare strutture 3D complesse, orecchi esterni di dimensioni umane sono stati impiantati sotto la pelle di ratti atimici (senza timo), che non hanno rigetto di organi trapiantati. Due mesi più tardi, la forma dell’orecchio impiantato era in ottime condizioni e si erano formati sia il tessuto cartilagineo, sia i vasi sanguigni. Per dimostrare la capacità di generare tessuti molli organizzati, del tessuto muscolare stampato è stato impiantato nei ratti. Dopo due settimane, i test hanno confermato che il muscolo era abbastanza robusto per mantenere le sue caratteristiche strutturali, diventare vascolarizzato e indurre la formazione dei nervi. Più verso l’uomo, per mostrare che la costruzione di una struttura ossea a misura d’uomo è effettivamente possibile, frammenti di mandibola ossea sono state stampate utilizzando cellule staminali umane. I frammenti erano della forma e delle dimensioni necessarie per la ricostruzione facciale nell’uomo. Per studiare la maturazione dell’osso bioprinted nel corpo, questi segmenti stampati sono stati impiantati sempre in topi. Dopo cinque mesi, le strutture bioprinted avevano formato tessuto osseo vascolarizzato. Sono in corso studi per misurare i risultati a lungo termine.
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