Microscaffold: un nuovo approccio all’ingegneria dei tessuti
Finora ci sono stati due approcci molto diversi alla produzione artificiale di tessuti. Alla Vienna University of Technology ne è stata ora sviluppata una terza, con la quale si combinano i vantaggi di entrambe le varianti.
È un sogno della medicina: se si potesse produrre tessuto artificiale in qualsiasi forma dalle cellule staminali, allora le ferite potrebbero essere curate con le cellule del corpo e un giorno potrebbe anche essere possibile produrre organi artificiali. Tuttavia, è difficile modellare le cellule nel modo desiderato. I metodi utilizzati fino ad oggi possono essere suddivisi in due categorie fondamentalmente diverse: o si creano prima piccoli blocchi di costruzione di tessuti, come agglomerati cellulari rotondi o fogli cellulari piatti, e poi li si mette insieme, oppure si costruisce una struttura fine e porosa (chiamato anche ” impalcatura “) che poi si coltiva con le cellule. Entrambi gli approcci presentano vantaggi e svantaggi.
Una terza via è stata ora sviluppata presso l’Università della Tecnologia di Vienna: con una speciale tecnica di stampa 3D basata su laser, è possibile produrre micro-ponteggi con un diametro inferiore a un terzo di millimetro, che possono ospitare molto rapidamente migliaia di cellule. C’è un’elevata densità cellulare fin dall’inizio, ma hai ancora la possibilità di adattare in modo flessibile la forma e le proprietà meccaniche della struttura.
Con ponteggio o senza?
“Gli approcci basati su scaffold che sono stati sviluppati finora presentano grandi vantaggi: se si produce prima uno scaffold poroso, è possibile definirne con precisione le proprietà meccaniche”, afferma il dott. Olivier Guillaume, primo autore dello studio attuale, che lavora nel team del Prof. Aleksandr Ovsianikov presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali presso l’Università di Tecnologia di Vienna. “La struttura può essere morbida o dura, a seconda di ciò che serve, è costituita da materiali biocompatibili che vengono nuovamente scomposti nel corpo. Possono anche essere specificamente forniti di biomolecole che promuovono la formazione dei tessuti”.
Lo svantaggio, tuttavia, è che è difficile popolare un tale scaffold con cellule in modo rapido e completo. Oggi qui è ancora necessario molto lavoro manuale, anche se la ricerca sui processi automatizzati è già in corso. Soprattutto con grandi scaffold, le cellule impiegano molto tempo a migrare all’interno della struttura, la densità cellulare rimane spesso molto bassa e la distribuzione non uniforme.
La situazione è completamente diversa se si fa a meno di tale struttura. Puoi anche semplicemente coltivare piccoli agglomerati cellulari, che poi metti insieme nella forma desiderata, in modo che alla fine crescano insieme. Con questa tecnologia, la densità cellulare è elevata fin dall’inizio, ma ci sono poche possibilità di intervenire nel processo per controllarla. Può accadere, ad esempio, che i globuli cellulari cambino dimensione o forma e il tessuto alla fine abbia proprietà diverse da quelle desiderate.
Le cellule viventi soddisfano i processi di stampa 3D ad alta risoluzione
“Ora siamo riusciti a combinare i vantaggi di entrambi gli approcci, con un metodo di stampa 3D ad altissima risoluzione, che studiamo da anni qui all’Università della tecnologia di Vienna”, afferma il prof. Aleksandr Ovsianikov.
Questa tecnica, la polimerizzazione a due fotoni, utilizza un materiale fotosensibile che viene indurito con un raggio laser esattamente dove lo desideri. In questo modo, le strutture possono essere prodotte con una precisione nell’intervallo inferiore a un micrometro.
Questo metodo laser viene ora utilizzato per creare microstrutture in filigrana altamente porose con un diametro di quasi un terzo di millimetro. Il design di questi microscaffold consente una rapida generazione di agglomerati cellulari all’interno. Allo stesso tempo, le celle sono protette da danni meccanici esterni, in modo simile a come il pilota di rally è protetto dal roll-bar di un’auto da corsa.
“Questi scaffold pieni di cellule sono relativamente facili da maneggiare e possono crescere insieme”, spiega il Dipl.-Ing. Oliver Kopinski-Grünwald, coautore dello studio attuale, che sta anche ricercando nel team del Prof. Aleksandr Ovsianikov presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali. “Quando molte di queste unità vengono riunite, è possibile produrre in breve tempo grandi strutture tissutali con un’elevata densità cellulare iniziale. Tuttavia, possiamo controllare bene le proprietà meccaniche della struttura”.
Cartilagine e osso come primi tessuti bersaglio
Il concetto alla base di questa nuova strategia di ingegneria dei tessuti è stato presentato in dettaglio nel 2018. Ora è stato possibile dimostrare per la prima volta che questo metodo funziona davvero: “Siamo stati in grado di dimostrare che il metodo offre effettivamente i vantaggi che speravamo”, afferma Aleksandr Ovsianikov. “Abbiamo utilizzato le cellule staminali per i nostri esperimenti, che possono essere indotte a produrre a piacimento sia la cartilagine che il tessuto osseo. Siamo stati in grado di dimostrare che le cellule delle unità di scaffold adiacenti crescono insieme e formano effettivamente un tessuto comune. La struttura mantiene la sua forma. In futuro, queste unità tissutali basate su micro-scaffold potrebbero anche essere rese iniettabili per l’uso in chirurgia mininvasiva”.
