Una nuova tecnica di stampa per replicare la vascolarizzazione umana in vitro
Il sogno di coltivare organi umani funzionali fuori dal corpo è un obiettivo ambizioso della medicina trapiantologica, un traguardo che continua a sfuggire. Tuttavia, una recente ricerca condotta dall’Istituto Wyss per l’Ingegneria Biologicamente Ispirata e dalla Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate John A. Paulson di Harvard ha compiuto un significativo passo in avanti verso la realizzazione di questo obiettivo.
Un team di scienziati ha sviluppato una nuova tecnica per stampare in 3D reti vascolari complesse, costituite da vasi sanguigni interconnessi. Questi vasi possiedono una “guaina” esterna di cellule muscolari lisce e cellule endoteliali che circonda un “nucleo” cavo, attraverso il quale può fluire un liquido, il tutto inserito all’interno di tessuto cardiaco umano. Questa struttura vascolare imita fedelmente quella dei vasi sanguigni naturali, rappresentando un progresso significativo nella possibilità di produrre organi umani impiantabili. Questo risultato è stato pubblicato sulla rivista Advanced Materials.
Innovazione nella stampa 3D: il metodo co-SWIFT
Il primo autore dello studio, Paul Stankey, studente presso SEAS nel laboratorio della professoressa Jennifer Lewis, ha spiegato che il loro lavoro si basa su una precedente tecnica di biostampa 3D denominata “scrittura sacrificale in tessuti funzionali” (SWIFT), utilizzata per modellare canali cavi all’interno di una matrice cellulare vivente. Con il nuovo approccio, denominato co-SWIFT, il team ha ricreato l’architettura multistrato dei vasi sanguigni nativi, facilitando la formazione di un endotelio interconnesso e rendendo i vasi più robusti, in grado di sopportare la pressione interna del flusso sanguigno.
L’innovazione chiave: il doppio ugello core-shell
L’innovazione principale è stata lo sviluppo di un ugello speciale con due canali indipendenti per i fluidi utilizzati come “inchiostri” per la stampa dei vasi: un inchiostro a base di collagene per la guaina esterna e un inchiostro a base di gelatina per il nucleo interno. La particolare progettazione dell’ugello permette di penetrare completamente un vaso precedentemente stampato, creando una rete ramificata di vasi interconnessi in grado di ossigenare adeguatamente i tessuti e gli organi umani tramite perfusione. La dimensione dei vasi può essere variata durante la stampa, regolando la velocità di stampa o il flusso degli inchiostri.
Prove di funzionamento del metodo co-SWIFT
Per verificare l’efficacia del metodo co-SWIFT, il team ha inizialmente stampato i loro vasi multistrato in una matrice idrogel granulare trasparente. Successivamente, hanno ripetuto l’operazione in una matrice chiamata uPOROS, un materiale poroso a base di collagene che replica la struttura densa e fibrosa del tessuto muscolare. In entrambe le matrici, i vasi sono stati stampati con successo, e dopo la stampa, la matrice è stata riscaldata per solidificare il collagene e sciogliere la gelatina del nucleo, creando una vascolarizzazione aperta e perfusabile.
Il passo successivo ha visto l’uso di materiali biologicamente ancora più rilevanti: un inchiostro per la guaina esterna arricchito con cellule muscolari lisce (SMC), che costituiscono lo strato esterno dei vasi sanguigni umani. Dopo aver rimosso la gelatina del nucleo, sono state introdotte cellule endoteliali (EC) all’interno dei vasi, e dopo sette giorni di perfusione, entrambe le tipologie di cellule erano vive e funzionanti come pareti vascolari, con una riduzione significativa della permeabilità dei vasi.
Applicazioni nel tessuto cardiaco umano
Infine, il metodo è stato testato all’interno di tessuto cardiaco umano vivo. Sono stati costruiti centinaia di migliaia di piccoli blocchi di tessuto cardiaco umano pulsante, compressi in una densa matrice cellulare. Utilizzando la tecnica co-SWIFT, è stata stampata una rete vascolare biomimetica all’interno del tessuto cardiaco, seguita dall’eliminazione dell’inchiostro sacrificiale del nucleo e dall’introduzione di cellule endoteliali sulla superficie interna dei vasi arricchiti con SMC.
I risultati sono stati sorprendenti: dopo cinque giorni di perfusione con un fluido simile al sangue, i blocchi di tessuto cardiaco hanno iniziato a battere in sincronia, un segno di tessuto cardiaco sano e funzionale. Inoltre, questi tessuti hanno risposto ai farmaci cardiaci comuni, dimostrando una risposta fisiologica realistica. Il team ha anche stampato in 3D un modello della vascolarizzazione dell’arteria coronaria sinistra di un paziente reale, mostrando il potenziale per la medicina personalizzata.
Prospettive future
Il gruppo di ricerca di Jennifer Lewis intende ora creare reti di capillari autoassemblati e integrarli con i loro vasi sanguigni stampati in 3D, al fine di replicare meglio la struttura microscopica dei vasi sanguigni umani e migliorare la funzionalità dei tessuti coltivati in laboratorio. Secondo il direttore fondatore dell’Istituto Wyss, Donald Ingber, il lavoro del team rappresenta un importante avanzamento nel campo dell’ingegneria dei tessuti umani funzionali, con la speranza che un giorno questi tessuti possano essere impiantati nei pazienti.
Collaborazioni e supporto
Tra gli autori del lavoro, figurano anche Katharina Kroll, Alexander Ainscough, Daniel Reynolds, Alexander Elamine, Ben Fichtenkort e Sebastien Uzel. Questo progetto è stato supportato dal Vannevar Bush Faculty Fellowship Program e dalla National Science Foundation tramite il CELL-MET ERC.
