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Per anni, gli scienziati hanno previsto che la stampa 3-D – che è stata usata per creare giocattoli, case, strumenti scientifici e persino un coniglietto di plastica che conteneva un codice DNA per la sua stessa replicazione – potrebbe un giorno essere sfruttata per stampare parti del corpo umano dal vivo, per mitigare la carenza di organi da donare. Finora, i ricercatori hanno usato la stampa 3-D anche in medicina e odontoiatria per creare impianti dentali, protesi e modelli su cui i chirurghi possono fare pratica prima di effettuare tagli su un paziente. Ma molti ricercatori sono andati oltre la stampa con plastiche e metalli – stampando con cellule che poi formano tessuti umani viventi.
Nessuno ha ancora stampato organi umani completamente funzionali e trapiantabili, ma gli scienziati si stanno avvicinando, facendo pezzi di tessuto che possono essere usati per testare farmaci e progettando metodi per superare le sfide di ricreare la complessa biologia del corpo.
Primi passi
La prima stampante 3-D è stata sviluppata alla fine degli anni ’80. Poteva stampare piccoli oggetti progettati con un software di progettazione assistita dal computer (CAD). Un disegno sarebbe stato virtualmente tagliato in strati spessi solo tre millesimi di millimetro. Poi, la stampante avrebbe messo il disegno nel prodotto completo.
C’erano due strategie principali che una stampante poteva usare per posare il modello: poteva estrudere una pasta attraverso una punta molto sottile, stampando il disegno a partire dallo strato inferiore e lavorando verso l’alto con ogni strato sostenuto dagli strati precedenti. In alternativa, potrebbe iniziare con un contenitore pieno di resina e usare un laser appuntito per solidificare porzioni di quella resina per creare un oggetto solido dall’alto verso il basso, che verrebbe sollevato e rimosso dalla resina circostante.
Quando si tratta di stampare cellule e biomateriali per fare repliche di parti del corpo e organi, si applicano queste stesse due strategie, ma la capacità di lavorare con materiali biologici in questo modo ha richiesto il contributo di biologi cellulari, ingegneri, biologi dello sviluppo, scienziati dei materiali e altri.
Finora, gli scienziati hanno stampato mini organoidi e modelli microfluidici di tessuti, noti anche come organi su chip. Entrambi hanno prodotto intuizioni pratiche e teoriche sulla funzione del corpo umano. Alcuni di questi modelli sono utilizzati dalle aziende farmaceutiche per testare i farmaci prima di passare agli studi sugli animali e infine ai test clinici. Un gruppo, per esempio, ha stampato cellule cardiache su un chip e lo ha collegato a un bioreattore prima di usarlo per testare la tossicità cardiaca di un noto farmaco contro il cancro, la doxorubicina. Il team ha mostrato che la frequenza di battito delle cellule è diminuita drasticamente dopo l’esposizione al farmaco.
Tuttavia, gli scienziati devono ancora costruire organi che replichino veramente la miriade di caratteristiche strutturali e funzioni dei tessuti umani. “Ci sono un certo numero di aziende che stanno cercando di fare cose come le orecchie stampate in 3-D”, e i ricercatori hanno già riferito di aver trapiantato orecchie stampate in 3-D su bambini che avevano difetti di nascita che lasciavano le loro orecchie sottosviluppate, nota Robby Bowles, un bioingegnere dell’Università dello Utah. I trapianti di orecchie sono, dice, “una specie di prima prova del concetto di stampa 3D per la medicina”.”
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Bowles aggiunge che i ricercatori sono ancora “lontani” dalla stampa di tessuti e organi più complessi che possono essere trapiantati in organismi viventi. Ma, per molti scienziati, è proprio questo l’obiettivo. A febbraio 2020, più di 112.000 persone negli Stati Uniti sono in attesa di un trapianto di organi, secondo la United Network for Organ Sharing. Circa 20 di loro muoiono ogni giorno.
Per molti anni, gli ingegneri biologici hanno cercato di costruire impalcature 3-D da seminare con cellule staminali che alla fine si sarebbero differenziate e sarebbero cresciute nelle forme degli organi, ma “in larga misura queste tecniche non consentono di introdurre l’organizzazione dei gradienti e il patterning che si trova nel tessuto”, dice Bowles. “Non c’è controllo su dove vanno le cellule in quel tessuto”. Al contrario, la stampa 3-D permette ai ricercatori di dirigere molto precisamente il posizionamento delle cellule – un’impresa che potrebbe portare a un migliore controllo sullo sviluppo degli organi.
Differenziazione
Infatti, gli organi stampati 3-D sarebbero costruiti da cellule che il sistema immunitario del paziente potrebbe riconoscere come proprie, per evitare il rigetto immunitario e la necessità per i pazienti di prendere farmaci immunosoppressori. Tali organi potrebbero potenzialmente essere costruiti da cellule staminali pluripotenti indotte specifiche del paziente, ma una sfida è quella di far differenziare le cellule nel sottotipo di cellula matura necessaria per costruire un particolare organo. “La difficoltà è quella di riunire e produrre modelli complessi di cellule e biomateriali per produrre diverse funzioni dei diversi tessuti e organi”, dice Bowles.
Per imitare i modelli visti in vivo, gli scienziati stampano le cellule in idrogeli o altri ambienti con segnali molecolari e gradienti progettati per convincere le cellule a organizzarsi in organi realistici. Gli scienziati possono usare la stampa 3-D anche per costruire questi idrogeli. Con altre tecniche, “i modelli ottenuti sono stati tipicamente bidimensionali”, dice a The Scientist Eben Alsberg, un bioingegnere dell’Università dell’Illinois, in una e-mail. “Il bioprinting tridimensionale permette un controllo molto maggiore sulla presentazione del segnale in 3D”.
Finora i ricercatori hanno creato delle patch di tessuto che imitano porzioni di alcuni organi, ma non sono riusciti a replicare la complessità o la densità cellulare di un organo completo. Ma è possibile che in alcuni pazienti, anche un cerotto sarebbe un trattamento efficace. Alla fine del 2016, una società chiamata Organovo ha annunciato l’inizio di un programma per sviluppare tessuto epatico stampato in 3-D per i trapianti umani dopo che uno studio ha mostrato che le patch trapiantate di cellule epatiche stampate in 3-D si sono incise con successo in un modello di topo di una malattia genetica del fegato e hanno aumentato diversi biomarcatori che suggeriscono un miglioramento della funzione epatica.
Vasculatura
Solo negli ultimi anni i ricercatori hanno iniziato a fare progressi con una delle maggiori sfide nella stampa di organi 3-D: creare la vascolarizzazione. Dopo che le patch sono state incise nel fegato del topo nello studio Organovo, il sangue gli è stato consegnato dal tessuto epatico circostante, ma un intero organo avrebbe dovuto essere preparato per il flusso di sangue.
“Affinché le cellule rimangano in vita, hanno bisogno di quel rifornimento di sangue, quindi non può essere solo questo enorme pezzo di tessuto”, dice Courtney Gegg, un direttore senior dell’ingegneria dei tessuti presso Prellis Biologics, che produce e vende impalcature per sostenere il tessuto stampato in 3-D. “
Mark Skylar-Scott, bioingegnere al Wyss Institute, dice che il problema ha “frenato l’ingegneria dei tessuti per decenni”. Ma nel 2018, Sébastian Uzel, Skylar-Scott e un team del Wyss Institute sono riusciti a stampare in 3-D un piccolo ventricolo cardiaco pulsante, completo di vasi sanguigni. Pochi giorni dopo aver stampato il tessuto, Uzel dice di essere venuto in laboratorio per trovare un pezzo di tessuto che si contraeva, il che è stato sia “molto terrificante che eccitante”
Per qualsiasi cellula per rimanere in vita, ha bisogno di quell’apporto di sangue, quindi non può essere solo questo enorme pezzo di tessuto.
-Courtney Gegg, Prellis Biologics
Invece di stampare le vene a strati, il team ha usato la stampa embedded – una tecnica in cui, invece di costruire dal basso verso l’alto, il materiale viene estruso direttamente in un bagno, o matrice. Questa strategia, che permette ai ricercatori di stampare “in forma libera in 3-D”, dice Skylar-Scott, piuttosto dovendo stampare ogni strato uno sopra l’altro per sostenere la struttura, è un modo più efficiente per stampare un albero vascolare. La matrice in questo caso era il materiale cellulare che componeva il ventricolo del cuore. Un inchiostro simile alla gelatina ha spinto delicatamente queste cellule per creare una rete di canali. Una volta terminata la stampa, la combinazione è stata riscaldata. Questo calore ha fatto sì che la matrice cellulare si solidificasse, ma che la gelatina si liquefacesse in modo da poter essere risciacquata, lasciando lo spazio per il flusso del sangue.
Ma questo non significa che il problema sia completamente risolto. Il ventricolo del team del Wyss Institute aveva dei vasi sanguigni, ma non così tanti come un cuore a grandezza naturale. Gegg fa notare che per imitare veramente la biologia umana, “una singola cellula dovrà trovarsi entro 200 micron dall’apporto di sangue più vicino. . . . Tutto deve essere molto, molto vicino”. Questo è molto più complicato di quello che i ricercatori hanno stampato finora.
A causa degli ostacoli con l’aggiunta di vascolarizzazione e molte altre sfide che ancora affrontano i tessuti stampati in 3-D, gli organi costruiti in laboratorio non saranno disponibili per il trapianto molto presto. Nel frattempo, la stampa 3-D di porzioni di tessuto sta aiutando ad accelerare la ricerca di base e clinica sul corpo umano.
Emma Yasinski è una giornalista freelance che vive in Florida. Seguila su Twitter @EmmaYas24.