Dal New York Times
Una possibile arma contro la pandemia: stampa del tessuto umano
Il bioprinting potrebbe essere utilizzato per testare potenziali trattamenti per Covid-19, cancro e altre malattie.
Poiché la carenza di dispositivi di protezione individuale persiste durante la pandemia di coronavirus , la stampa 3D ha contribuito ad alleviare alcune lacune. Anthony Atala, direttore del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, e il suo team stanno usando il processo in un modo più innovativo: la creazione di minuscole repliche di organi umani – alcuni piccoli come uno spillo – per testare i farmaci per combattere Covid-19 .
Il team sta costruendo polmoni e due punti in miniatura – due organi particolarmente colpiti dal coronavirus – per poi inviarli durante la notte tramite corriere per i test in un laboratorio di biosicurezza presso la George Mason University di Fairfax, in Virginia. Mentre inizialmente hanno creato alcuni dei cosiddetti organoidi da mano usando una pipetta, stanno iniziando a stamparli su larga scala per la ricerca mentre la pandemia continua a salire.
Negli ultimi anni, l’istituto del dott. Atala aveva già stampato questi piccoli gruppi di cellule per testare l’efficacia dei farmaci contro batteri e malattie infettive come il virus Zika, “ma non abbiamo mai pensato che avremmo considerato questo per una pandemia”, ha detto . Il suo team ha la capacità di stampare “migliaia all’ora”, ha detto dal suo laboratorio a Winston-Salem, NC.
Il processo di costruzione del tessuto umano in questo modo è una forma di bioprinting. Mentre il suo uso nell’uomo è ancora lontano anni, i ricercatori stanno perfezionando i metodi per testare i farmaci e, alla fine, per creare pelle e organi a grandezza naturale per i trapianti. I ricercatori stanno facendo passi da gigante nella stampa della pelle, fondamentale per le ustioni; gestire malattie come il diabete in cui la guarigione delle ferite è difficile; e per la sperimentazione di cosmetici senza danneggiare gli animali o, naturalmente, gli umani.
“Anche a noi a volte sembra fantascienza”, ha affermato Akhilesh Gaharwar, che dirige un laboratorio interdisciplinare nel dipartimento di ingegneria biomedica presso la Texas A&M University che si concentra sulla bioprinting e altri approcci alla medicina rigenerativa.
L’importanza del bioprinting per l’analisi farmaceutica è fondamentale ora, non solo per potenziali trattamenti con Covid-19, ma anche per testare trattamenti per il cancro e altre malattie. Il dottor Atala afferma che gli organoidi consentono ai ricercatori di analizzare l’impatto di un farmaco su un organo “senza il rumore” del metabolismo di un individuo.
Ha citato Rezulin, un popolare farmaco per il diabete ricordato nel 2000 dopo che c’erano prove di insufficienza epatica. Il suo laboratorio ha testato una versione archiviata del farmaco e il dottor Atala ha detto che entro due settimane la tossicità epatica è diventata evidente. Cosa spiega la differenza? Un organoide replica un organo nella sua forma più pura e offre punti di dati che potrebbero non verificarsi negli studi clinici, ha aggiunto, aggiungendo che il test è additivo, piuttosto che sostitutivo, degli studi clinici.
Anche test su pelle bioprintata o altri organi in miniatura possono determinare più facilmente quali farmaci che funzionano su animali come i ratti potrebbero non funzionare bene nelle persone.
“I modelli 3-D possono aggirare i test sugli animali e rendere più forte il percorso dal laboratorio alla clinica”, ha detto il dottor Gaharwar. Ciò ha importanza per i beni di consumo e per i prodotti farmaceutici; dal 2013, l’Unione Europea, ad esempio, ha proibito alle aziende di cosmetici di testare prodotti sugli animali .
La base per un organo stampato è nota come impalcatura, realizzata con materiali biodegradabili. Per fornire nutrimento all’organoide, i canali microscopici di soli 50 micron di diametro, circa la metà delle dimensioni di un capello umano, sono inclusi nello scaffold. Una volta completato, il “bioink”, una combinazione liquida di cellule e idrogel che si trasforma in gelatina, viene quindi stampato sul patibolo “come una torta a strati”, ha detto il dott. Atala.
Un’altra parte importante del processo è la costruzione di vasi sanguigni come parte della stampa. Pankaj Karande, professore associato di ingegneria chimica e biologica presso il Rensselaer Polytechnic Institute, ha sperimentato la stampa della pelle dal 2014 e recentemente ha avuto successo in questa fase.
Usando una cellula nota come fibroblasto, che aiuta con la crescita, insieme al collagene, come impalcatura, i ricercatori dell’istituto hanno stampato l’epidermide e il derma, i primi due strati di pelle. (L’ipoderma è il terzo strato.) “Si scopre che le cellule della pelle non si preoccupano di essere tosate”, ha detto il dottor Karande, e alla fine potrebbero sopravvivere.
Ma il loro lavoro ha colpito un ostacolo: senza incorporare i vasi sanguigni, la pelle alla fine si distacca. Collaborando con Jordan Pober e W. Mark Saltzman della Yale University, alla fine sono riusciti a costruire tutti e tre gli strati di pelle umana, nonché la vascolarizzazione o i vasi sanguigni, che il Dr. Karande ha affermato che era essenziale per la sopravvivenza della pelle dopo che era stata innestata.
I tre hanno iniziato a sperimentare l’integrazione di cellule endoteliali umane, che rivestono i vasi sanguigni, e cellule pericite umane, che circondano le cellule endoteliali, nella pelle mentre veniva stampata. Alla fine, dopo molte prove ed errori, sono stati in grado di integrare i vasi sanguigni con la pelle e hanno scoperto che si erano formate connessioni tra vasi sanguigni nuovi ed esistenti.
Mentre il lavoro è preliminare – testato sui topi – il Dr. Karande ha affermato di sperare che il successo nella stampa di pelle e vascolarizzazione integrate avrebbe posto le basi per un riuscito innesto nell’uomo alla fine.
La ricerca, secondo la dottoressa Karande, è scrupolosa e comporta molti tentativi ed errori. “Abbiamo il piano A, che spesso sappiamo che non funzionerà e poi scendiamo l’elenco. Spesso possiamo scrivere su ciò che funziona in cinque pagine ma con 5.000 pagine di ciò che non ha funzionato “, ha aggiunto.
Il laboratorio del Dr. Gaharwar sta anche studiando se il tessuto osseo umano può essere stampato per un eventuale trapianto. La sua speranza, dice, è che in futuro le scansioni radiografiche dei pazienti possano essere tradotte nella forma esatta necessaria per l’impianto, particolarmente importante nella riparazione di difetti craniofacciali dove la curvatura necessaria può essere difficile da ricreare.
Come il Dr. Gaharwar, il Dr. Karande afferma che la personalizzazione è importante. Dice che il suo lavoro ha già dimostrato che la pelle può essere fabbricata per abbinare il colore di un individuo. E, poiché anche la pelle è fondamentale nella regolazione della temperatura corporea, sta anche lavorando per progettare ghiandole sudoripare nella pelle, insieme ai follicoli piliferi.
“Quando innestiamo, vogliamo essere in grado di ricreare la piena funzionalità della pelle”, ha detto il Dr. Karande. E usando le cellule di un paziente, piuttosto che un donatore, il rischio di rigetto viene minimizzato o eliminato del tutto.
Non sorprende che i ricercatori stiano anche esplorando la raccolta di dati dai test. Il team di Wake Forest sta collaborando con la società tecnologica Oracle per acquisire i dati dagli organoidi e analizzarli con intelligenza artificiale. Il progetto, noto generalmente come sistema body-on-a-chip , prevede la stampa di tessuti viventi su un microchip per consentire di studiare la tossicità e l’efficacia dei farmaci anche prima dell’inizio degli studi clinici. I chip possono avere le dimensioni di un nichel o un quarto, che è abbastanza grande da contenere da 10 a 12 organi in miniatura.
“Lavoriamo molto con ricercatori, aziende farmaceutiche e aziende biotecnologiche e stiamo cercando di seminare i progressi il più rapidamente possibile, analizzare i dati e sviluppare nuovi farmaci”, ha affermato Rebecca Laborde, la principale scienziata principale nella divisione di scienze della salute di Oracle. “Questo è il progetto più entusiasmante a cui ho lavorato da molto tempo.”
