Jason Barnhill e i test di bioprinting sul campo dell’esercito americano

West Point: Bioprinting per soldati sul campo di battaglia

L’estate scorsa, il tenente colonnello dell’esercito americano Jason Barnhill si è recato in un luogo sconosciuto del deserto in Africa con una stampante 3D rinforzata e altre forniture di base che potrebbero essere utilizzate per biofabricare per le cure mediche sul campo, come le cellule staminali / stromali mesenchimali umane (hMSC). L’obiettivo era scoprire come una bioprinter 3D potesse accelerare la guarigione e persino sostituire il tessuto danneggiato per le truppe ferite in combattimento.

Barnhill, che è il direttore del programma di scienze della vita dell’Accademia militare degli Stati Uniti West Point Dipartimento di Chimica e Scienze della vita, sta conducendo un progetto con un team di cadetti che lavorano su esperimenti per far avanzare la ricerca sulla bioprinting sul campo con l’obiettivo finale di sviluppare la tecnologia per la creazione di farmaci per la guarigione delle ferite, bende e altro per i soldati sul posto o vicino al punto di- cura. Secondo le notizie dell’esercito degli Stati Uniti, 26 cadetti di prima classe presso l’Accademia militare degli Stati Uniti a West Point, a New York, stanno facendo ricerche di bioprinting in sette diversi progetti: due team stanno lavorando su bio-bendaggi per ustioni e cure sul campo; altri due team stanno lavorando su come bioingegnerizzare i vasi sanguigni per consentire ad altri articoli bioprintati che richiedono una fonte di sangue, come gli organi, di essere vitali; mentre una squadra sta lavorando per stampare un menisco praticabile e un’altra sta cercando di stampare un fegato.

“Molto di questo ha a che fare con il bioink che vogliamo usare, esattamente quale materiale stiamo usando come nostro inchiostro per stampante, se vuoi”, ha spiegato il cadetto della classe 2020 Allen Gong, un importante esperto di scienze della vita che conduce ricerche per progetto menisco. “Una volta che abbiamo quel modello 3D dove lo vogliamo, allora è solo una questione di essere in grado di impilare l’inchiostro uno sopra l’altro correttamente.”

Gong, insieme ai suoi compagni di squadra, sta studiando come usare i bioink per creare un menisco che potrebbe essere impiantato nel ginocchio ferito di un soldato, mentre altri cadetti stanno cercando di stampare un fegato che potrebbe essere usato per testare la medicina e forse un giorno eliminare la carenza di organi trapiantabili. Questa non è la prima volta che sentiamo che l’ esercito americano sta usando la bioprinting per la medicina rigenerativa, dopo tutto, spesso soffrono di traumi, con conseguente perdita di arti, lesioni al viso e gravi ustioni. I soldati schierati affrontano quotidianamente i rischi della battaglia. Tuttavia, essere in grado di avere accesso immediato a bioprinter specializzate create per risolvere lesioni mediche catastrofiche potrebbe essere la soluzione dello scenario da sogno che molti stavano aspettando.

Nel 2014, gli scienziati dell’Armed Forces Institute of Regenerative Medicine (AFIRM), istituito dal Dipartimento della Difesa, utilizzavano bioprinter 3D per la ricerca sulla riparazione della pelle; ma l’Esercito sta anche attivamente sviluppando cuori artificiali stampati in 3D, vasi sanguigni e altri organi nel tentativo di sviluppare medicine personalizzabili e stampate in 3D. Il programma pilota di Barnhill nel 2019, condotto dall’Uniformed Services University of the Health Sciences (USU) in collaborazione con l’Accademia militare degli Stati Uniti a West Point, ha dimostrato che una stampante 3D capace di biofabbricazione potrebbe potenzialmente cambiare il modo in cui anche i combattenti schierati ricevono assistenza. Sotto la sua direzione, la stampante 3D ha fabbricato con successo una serie di prodotti, tra cui un bisturi in grado di utilizzare immediatamente e un emostato (uno strumento chirurgico utilizzato per controllare il sanguinamento durante l’intervento chirurgico e in grado di afferrare oggetti) bloccandoli in posizione per trattenere un tessuto o altri strumenti medici. Gli strumenti erano fatti di un materiale che poteva essere sterilizzato sul posto,

Le lesioni da combattimento comuni includono ustioni di secondo e terzo grado, ossa rotte, ferite da schegge, lesioni cerebrali, lesioni del midollo spinale, danni ai nervi, paralisi, perdita della vista e dell’udito, disturbo post-traumatico da stress (PTSD) e perdita degli arti. Molte di queste lesioni potrebbero essere affrontate con macchine di bioprinting personalizzabili in loco, ma per ora, i cadetti di ciascuna squadra sono nelle fasi iniziali della loro ricerca prima di iniziare l’effettivo processo di stampa. Questa fase include la lettura delle ricerche già disponibili nella loro area di interesse e l’apprendimento dell’uso delle stampanti e, dopo le vacanze di primavera, avranno la prima possibilità di iniziare a stampare con le celle. I team che si concentrano su bio-bendaggio, menisco e fegato cercheranno di stampare un prodotto tangibile entro la fine del semestre come parte della ricerca iniziale.

Un altro grande cadetto e specialista in scienze della vita che lavora al progetto menisco, Thatcher Shepard, ha descritto nell’articolo dell’Esercito USA che “ci sono sicuramente alcuni passi prima che possiamo arrivare a quel punto [di impiantare ciò che stampano]. Dobbiamo assicurarci che il corpo non rifiuti il ​​nuovo menisco bioprinted e anche la postazione. Ci possono essere difficoltà con quello. In questo momento, stiamo solo cercando di creare un menisco praticabile, quindi esamineremo ulteriori ricerche per essere in grado di lavorare su metodi per inserirlo effettivamente nel corpo. “

Sostengono che il team del menisco sta iniziando con le immagini di risonanza magnetica (MRI) delle ginocchia e sta lavorando per costruire un modello 3D di un menisco, che alla fine saranno in grado di stampare. Gran parte della ricerca del team sarà capire come e quando impiantare quelle cellule nella complessa struttura cellulare che stanno stampando.

Secondo Michael Deegan, un altro maggiore e cadetto delle scienze della vita che lavora su uno dei progetti di vasi sanguigni, per ora, implicherà molte ricerche su ciò che è già stato fatto sul campo e sulle domande a cui è ancora necessario rispondere. Ha descritto l’esperienza come “un po ‘come mettere il carro davanti al cavallo”. Dicendo che “l’hai stampato, fantastico, ma che senso ha stamparlo se non sopravviverà all’interno del tuo corpo? Essere in grado di lavorare su quel passo fondamentale che renderà effettivamente questi organi vitali è ciò che ha spinto me e i miei compagni di squadra a essere in grado di farlo. ” Deegan e i suoi colleghi alla fine decideranno sulla portata e sulla direzione dei loro progetti, sapendo che la loro ricerca sarà la chiave per consentire ad altre aree del campo di andare avanti, dal momento che sono stati stampati organi come fegati e pancreas,

Mentre la generazione di organi e vasi sanguigni sarà uno dei maggiori benefici della medicina personalizzata in futuro, il lavoro dietro le squadre di bio-bendaggio potrebbe avere un uso diretto sul campo durante il combattimento. L’esercito americano suggerisce che l’obiettivo è quello di essere in grado di prelevare cellule da un soldato ferito, in particolare uno che ha subito ustioni e stampare una benda con biomateriale incorporato su di esso per avviare il processo di guarigione. Il personale medico potrebbe potenzialmente essere distribuito con una stampante 3D nella loro Base operativa diretta oppure potrebbe essere inviato in una colonna con un Humvee per consentire la stampa in loco delle bende.

“Stiamo studiando il modo in cui il corpo guarisce effettivamente dalle ustioni”, ha affermato Channah Mills, una delle maggiori scienze della vita che lavora su uno dei progetti di biobanda. “Quindi, quali sono alcune cose che possiamo fare per accelerare questo processo? L’introduzione di una benda potrebbe dare il via a quel processo di guarigione. Più velocemente inizi a guarire, meno cicatrici e maggiori sono le probabilità di guarire. ” “Essere all’avanguardia e vedere solo il potenziale della bioingegneria, è piuttosto sorprendente”, ha detto Gong. “Ma è stato anche rassicurante vedere quanto sia più complicato stampare biomateriali in 3D rispetto alla plastica.”

Al momento, i progetti si stanno basando sulla ricerca esistente sulla stampa di bende sterili e l’aggiunta di un elemento di bioingegneria. Le bende verrebbero stampate con pelle e cellule staminali specializzate necessarie per il processo di guarigione.

Più della metà dei cadetti che lavorano ai progetti di bioprinting ha intenzione di continuare la scuola medica dopo la laurea a West Point. Questa ricerca, che sarà presentata durante la Giornata annuale dei progetti dell’Accademia il 30 aprile, è un ottimo punto di partenza per i futuri medici dell’esercito, poiché iniziano a comprendere e lavorare su alcune delle tecnologie più complesse che potrebbero diventare loro alleate in futuro , aiutandoli a guarire i soldati sul campo.