La 'bioprinting' 3D potrebbe aiutare a risolvere difetti cardiaci infantili e altro ancora

Di Natalie Sabin

11 luglio 2022 - Quasi 1 bambino su 100 negli Stati Uniti nasce con difetti cardiaci. Gli effetti possono essere devastanti e costringono il bambino ad affidarsi a dispositivi impiantati che devono essere cambiati nel tempo.

"Le soluzioni meccaniche non crescono con il paziente", spiega Mark Skylar-Scott, PhD, professore di bioingegneria all'Università di Stanford. "Ciò significa che il paziente avrà bisogno di più interventi chirurgici man mano che cresce".

Lui e il suo team stanno lavorando a una soluzione che potrebbe fornire a questi bambini una migliore qualità di vita con meno interventi chirurgici. La loro idea: Utilizzare "bioprinters" 3D per creare i tessuti di cui i medici hanno bisogno per aiutare un paziente.

"Il sogno è quello di poter stampare tessuti cardiaci, come valvole e ventricoli, che siano vivi e possano crescere con il paziente", spiega Skylar-Scott, che ha lavorato negli ultimi 15 anni sulle tecnologie di bioprinting per la creazione di vasi e tessuti cardiaci.

La stampante 3D per il vostro corpo

La normale stampa 3D funziona come la stampante a getto d'inchiostro del vostro ufficio, ma con una differenza fondamentale: Invece di spruzzare un singolo strato di inchiostro sulla carta, una stampante 3D rilascia strati di plastica fusa o altri materiali uno alla volta per costruire qualcosa dal basso verso l'alto. Il risultato può essere praticamente qualsiasi cosa, da parti di automobili a intere case.

Il bioprinting tridimensionale, ovvero il processo di utilizzo di cellule viventi per creare strutture 3D come pelle, vasi, organi o ossa, sembra uscito da un film di fantascienza, ma in realtà esiste dal 1988.

Mentre una stampante 3D può basarsi su plastica o cemento, una bioprinter richiede "cose come cellule, DNA, microRNA e altri materiali biologici", spiega Ibrahim Ozbolat, PhD, professore di scienze ingegneristiche e meccaniche, ingegneria biomedica e neurochirurgia alla Penn State University.

"Questi materiali vengono caricati negli idrogeli in modo che le cellule possano rimanere vitali e crescere", spiega Ozbolat. "Questo 'bio-inchiostro' viene poi stratificato e gli viene dato il tempo di maturare in un tessuto vivente, cosa che può richiedere dalle 3 alle 4 settimane".

Quali parti del corpo sono state stampate finora dagli scienziati? La maggior parte dei tessuti creati attraverso la bioprinting sono piuttosto piccoli e quasi tutti sono ancora in diverse fasi di sperimentazione.

"Sono iniziate le sperimentazioni cliniche per la ricostruzione della cartilagine dell'orecchio, la rigenerazione dei nervi e la rigenerazione della pelle", spiega Ozbolat. "Nei prossimi 5-10 anni, possiamo aspettarci un maggior numero di sperimentazioni cliniche con tipi di organi complessi".

Cosa frena la bioprinting?

Il problema della bioprinting 3D è che gli organi umani sono spessi. Ci vogliono centinaia di milioni di cellule per stampare un solo millimetro di tessuto. Non solo è un'operazione che richiede molte risorse, ma anche un enorme dispendio di tempo. Una biostampante che spingesse fuori singole cellule alla volta avrebbe bisogno di diverse settimane per produrre anche solo pochi millimetri di tessuto.

Ma Skylar-Scott e il suo team hanno recentemente raggiunto un risultato che potrebbe contribuire a ridurre significativamente i tempi di produzione.

Invece di lavorare con singole cellule, il team di Skylar-Scott è riuscito a biografare con un gruppo di cellule staminali chiamate organoidi. Quando diversi organoidi vengono posizionati l'uno vicino all'altro, si uniscono, come i chicchi di riso. Questi grumi si auto-assemblano per creare una rete di piccole strutture che assomigliano a organi in miniatura.

"Invece di stampare singole cellule, possiamo stampare con blocchi di costruzione più grandi [gli organoidi]", spiega Skylar-Scott. "Crediamo che sia un modo più rapido di produrre tessuti".

Se da un lato gli organoidi accelerano la produzione, dall'altro la sfida successiva a questa modalità di bioprinting 3D è avere abbastanza materiali.

"Ora che possiamo produrre cose con molte cellule, abbiamo bisogno di molte cellule per esercitarci", dice Skylar-Scott. Quante cellule sono necessarie? Secondo lui, "uno scienziato tipico lavora con 1 o 2 milioni di cellule in un piatto. Per produrre un organo grande e spesso, occorrono da 10 a 300 miliardi di cellule".

Come la bioprinting potrebbe cambiare la medicina

Una visione del bioprinting è quella di creare tessuto cardiaco vivente e organi interi da utilizzare nei bambini. Ciò potrebbe ridurre la necessità di trapianti di organi e interventi chirurgici, poiché i tessuti vivi crescerebbero e funzionerebbero insieme al corpo del paziente.

Tuttavia, prima di poter stampare e rendere utilizzabili i principali tessuti corporei, è necessario risolvere molti problemi.

"In questo momento stiamo pensando in piccolo, invece di stampare un cuore intero", dice Skylar-Scott. Ci stiamo invece concentrando su strutture più piccole, come valvole e ventricoli. E queste strutture, dice Skylar-Scott, sono previste tra i 5 e i 10 anni.

Nel frattempo, Ozbolat immagina un mondo in cui i medici potrebbero biografare esattamente le strutture di cui hanno bisogno mentre il paziente è sul tavolo operatorio. "È una tecnica in cui i chirurghi potranno trascinare la stampa direttamente sul paziente", afferma Ozbolat. Questa tecnologia di stampa dei tessuti è ancora agli albori, ma il suo team è impegnato a portarla avanti.