Un team di ricercatori dell’Harvard Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering e della John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno fatto un passo avanti nella bioprinting 3D che potrebbe superare una sfida significativa nel campo legata alla mancanza di densità cellulare per organi funzionali. Cioè, i ricercatori hanno aperto la strada a un nuovo processo di bioprinting chiamato SWIFT (scrittura sacrificale in tessuto funzionale) che è in grado di stampare canali vascolari 3D in matrici viventi costituite da blocchi di organo derivati dalle cellule staminali (OBB), con conseguente organo tessuti specifici che hanno un’alta densità e funzione cellulare.
L’approccio innovativo, descritto come “un paradigma completamente nuovo per la fabbricazione dei tessuti”, consiste in un processo in due fasi che forma inizialmente centinaia di migliaia di aggregati derivati da cellule staminali in una densa matrice vivente di OBB. Secondo il team di ricerca, questa matrice densa contiene circa 200 milioni di cellule per millilitro. Nel secondo passaggio, una rete vascolare è incorporata nella matrice scrivendo e rimuovendo un inchiostro sacrificale. La risultante rete vascolare consente all’ossigeno e ad altri nutrienti vitali di raggiungere le cellule della matrice, mantenendole in vita.
Il co-primo autore Mark Skylar-Scott, Ph.D., Research Associate presso il Wyss Institute, ha spiegato: “Invece di provare a stampare in 3D il valore di un intero organo di cellule, SWIFT si concentra solo sulla stampa delle navi necessarie per sostenere una vita costrutto di tessuto che contiene grandi quantità di OBB, che alla fine possono essere utilizzate terapeuticamente per riparare e sostituire gli organi umani con versioni sviluppate in laboratorio contenenti le cellule dei pazienti ”.
“La formazione di una matrice densa da questi OBB uccide due uccelli con una fava”, ha aggiunto il co-primo autore Sébastien Uzel, Ph.D., ricercatore associato presso il Wyss Institute e SEAS. “Non solo raggiunge un’alta densità cellulare simile a quella degli organi umani, ma la viscosità della matrice consente anche la stampa di una rete pervasiva di canali perfusabili al suo interno per imitare i vasi sanguigni che supportano gli organi umani”.
Nel campo emergente della bioprinting, i ricercatori di tutto il mondo stanno cercando di affrontare il problema della vascolarizzazione, che è necessario per mantenere in vita tessuti e cellule coltivati in laboratorio. Se i tessuti e gli organi bioprinted devono essere impiantati nell’uomo, questo è un passo fondamentale che deve essere raggiunto. SWIFT potrebbe offrire una nuova soluzione.
SWIFT utilizza aggregati cellulari derivati da cellule staminali pluripotenti indotte da adulti e combinati con una soluzione di matrice extracellulare su misura (ECM) per creare una matrice vivente che viene compattata usando la centrifugazione (un metodo che utilizza la rotazione rapida per separare le particelle per dimensione, forma o densità). I ricercatori affermano che la matrice densa ha la consistenza della maionese quando è sottoposta a basse temperature (0-4 ° C), permettendole di essere manipolata senza perdere la sua forma.
Questa coerenza consente ai ricercatori di utilizzare la stampa 3D sacrificale, che utilizza un ugello sottile per depositare un filo di inchiostro a base di gelatina all’interno della matrice senza danneggiare le cellule. L’inchiostro viene depositato fino a quando non viene creata una rete di canali simili a vasi sanguigni nel tessuto. La matrice viene quindi riscaldata a 37 ° C, facendo irrigidire le cellule (come una frittata) e sciogliendo l’inchiostro di gelatina. Il risultato è una densa matrice cellulare con canali cavi incorporati al suo interno.
Alla fine, i canali – che variano di dimensioni da 400 micrometri a 1 millimetro di diametro – possono essere perfusi con mezzi ossigenati che nutrono le cellule e mantengono vivo il tessuto. Nei test, i tessuti che avevano i canali incorporati sono sopravvissuti bene rispetto a quelli senza (che hanno visto la morte cellulare entro 12 ore).
I ricercatori hanno anche avuto successo nella produzione di tessuti specifici per organo utilizzando il processo SWIFT. Secondo un recente studio pubblicato su Science Advances , il team ha stampato una rete vascolare in una matrice costituita da cellule derivate dal cuore e l’ha perfusa con sostanze nutritive per una settimana. Alla fine della settimana, gli OBB cardiaci si erano fusi insieme e avevano formato un tessuto più solido con contrazioni sempre più sincrone e forti, non diversamente da un vero cuore umano.
“Il nostro metodo di biomantificazione SWIFT è altamente efficace nella creazione di tessuti specifici per organo su scala da OBB che vanno da aggregati di cellule primarie a organoidi derivati da cellule staminali”, ha affermato l’autore corrispondente Jennifer Lewis , Sc.D., membro della Facoltà Core presso il Wyss Institute e Hansjörg Wyss professore di ingegneria biologicamente ispirata al SEAS. “Integrando i recenti progressi dei ricercatori sulle cellule staminali con i metodi di bioprinting sviluppati dal mio laboratorio, riteniamo che SWIFT farà avanzare notevolmente il campo dell’ingegneria degli organi in tutto il mondo.”
