Un progetto finanziato dall’Unione europea sta sviluppando un metodo di biostampa 3D capace di produrre in laboratorio strutture tissutali vive contenenti componenti ossee, adipose e muscolari. L’obiettivo non è stampare organi completi pronti per il trapianto, ma creare materiali biologici organizzati nei quali cellule staminali, bioinchiostri e microrganismi ingegnerizzati collaborano durante la formazione del tessuto.
Il progetto si chiama PRISM-LT, acronimo di “Printed Symbiotic Materials as a Dynamic Platform for Living Tissues Production”. È iniziato il 1° novembre 2022, terminerà il 31 ottobre 2027 e dispone di un finanziamento europeo pari a circa 2,8 milioni di euro nell’ambito dell’European Innovation Council Pathfinder.
La piattaforma viene studiata per due applicazioni principali. In campo biomedico, il gruppo vuole riprodurre l’interfaccia tra osso e tessuto adiposo presente nel midollo osseo, così da realizzare modelli tridimensionali destinati alla ricerca farmacologica e allo studio di malattie come la leucemia. Nel settore alimentare, il progetto punta invece a costruire tessuti composti da muscolo e grasso, affrontando uno dei limiti tecnici della carne coltivata: ottenere una distribuzione del tessuto adiposo simile alla marezzatura della carne animale.
Un progetto europeo tra ricerca pubblica e industria
PRISM-LT è coordinato dall’italiana IN Srl, che opera con il nome InSociety. L’organizzazione, con sede a Udine, gestisce gli aspetti amministrativi, finanziari, legali e di valorizzazione dei risultati. Laura Martinelli, amministratrice delegata di InSociety, ricopre il ruolo di coordinatrice del progetto.
Il coordinamento scientifico è affidato alla University of Glasgow e al professor Massimo Vassalli, specialista di bioingegneria. Il gruppo scozzese lavora sull’integrazione tra cellule staminali, batteri ingegnerizzati e materiali biocompatibili, oltre che sulla progettazione dei bioinchiostri.
Chalmers University of Technology, in Svezia, porta nel consorzio le proprie competenze nell’ingegneria dei lieviti e nella biologia sintetica. I suoi ricercatori sviluppano microrganismi capaci di riconoscere determinati segnali biologici e di produrre molecole che favoriscono la formazione di tessuto muscolare o adiposo.
La componente industriale comprende CELLINK Bioprinting AB, società svedese specializzata in biostampanti, bioinchiostri e sistemi per colture cellulari tridimensionali. CELLINK Bioprinting AB appartiene al gruppo BICO e contribuisce alla formulazione dei materiali, all’integrazione dei microrganismi e alla definizione dei processi di stampa. La documentazione europea registra anche BICO Group AB tra i soggetti che hanno partecipato al progetto, indicando però come conclusa la sua partecipazione diretta, mentre CELLINK Bioprinting AB resta presente nel consorzio.
Radboud University, nei Paesi Bassi, analizza le conseguenze etiche, giuridiche e sociali della tecnologia. Il suo lavoro riguarda temi come l’uso di microrganismi geneticamente modificati, l’accettazione pubblica dei materiali viventi e la difficoltà di inserire questi prodotti nelle categorie normative esistenti.
University of Aveiro e CICECO – Aveiro Institute of Materials, in Portogallo, sviluppano le capsule modulari nelle quali vengono inserite le cellule. Il gruppo COMPASS, diretto da João Mano, studia in particolare come l’elasticità e le proprietà meccaniche del materiale possano orientare il comportamento delle cellule staminali.
Dal bioinchiostro passivo a un piccolo sistema biologico
Nella biostampa convenzionale, le cellule vengono mescolate con un idrogel e depositate dalla stampante sotto forma di filamenti continui. Il materiale utilizzato prende il nome di bioinchiostro e deve svolgere diverse funzioni: proteggere le cellule durante l’estrusione, mantenere la forma della struttura stampata e permettere il passaggio di sostanze nutritive.
Questa impostazione consente di collocare le cellule in una geometria prestabilita, ma non è sufficiente a controllarne l’evoluzione nel tempo. Una cellula staminale può trasformarsi in diversi tipi cellulari e il suo destino dipende da segnali chimici, proprietà meccaniche, contatti con le cellule circostanti e condizioni dell’ambiente di coltura.
PRISM-LT cerca di aggiungere al bioinchiostro un sistema di regolazione biologica. Le cellule staminali vengono associate a batteri o lieviti modificati affinché funzionino come cellule ausiliarie. Questi microrganismi devono riconoscere i primi segnali emessi dalle cellule staminali quando iniziano a differenziarsi e, in risposta, produrre fattori di crescita adatti al tessuto desiderato.
Il materiale stampato non costituisce quindi soltanto un’impalcatura tridimensionale. È un ambiente nel quale componenti biologici diversi si scambiano segnali e modificano il proprio comportamento. Per questo la tecnologia rientra nella categoria degli Engineered Living Materials, cioè materiali viventi ingegnerizzati.
Capsule modulari al posto di un unico flusso continuo
Uno degli elementi distintivi del progetto è l’impiego di capsule microscopiche o di piccole unità modulari. Ogni capsula contiene cellule, una matrice gelatinosa e, a seconda dell’applicazione, batteri o lieviti ingegnerizzati.
Le capsule possono essere depositate strato dopo strato mediante una biostampante oppure posizionate con un sistema robotizzato. In questo modo i ricercatori possono combinare zone con caratteristiche differenti, per esempio aree più rigide destinate alla formazione di tessuto osseo e aree più morbide favorevoli allo sviluppo del tessuto adiposo.
La rigidità del microambiente non è un semplice parametro strutturale. Le cellule percepiscono le forze e la consistenza del materiale che le circonda attraverso un insieme di processi chiamato meccanotrasduzione. Una matrice con determinate proprietà può favorire l’avvio di uno specifico percorso di differenziazione.
Una volta iniziata la trasformazione, le cellule producono metaboliti caratteristici. I microrganismi ausiliari vengono progettati per rilevare questi segnali e rafforzare la direzione intrapresa attraverso il rilascio di fattori di crescita. L’obiettivo è un sistema nel quale stimoli meccanici e segnali chimici lavorino insieme, evitando che le cellule perdano nel tempo l’identità acquisita.
Batteri controllati per sostenere la formazione dell’osso
Per l’applicazione biomedica, il consorzio ha lavorato su batteri Escherichia coli modificati per produrre fattori di crescita collegati alla formazione del tessuto osseo.
I ricercatori hanno sperimentato due modalità di gestione delle proteine prodotte. Nella prima, la molecola viene ancorata alla membrana del batterio e resta associata alla sua superficie. Nella seconda, viene rilasciata nell’ambiente circostante, così da raggiungere le cellule staminali presenti nella matrice.
La convivenza tra batteri e cellule umane richiede un controllo rigoroso. Un batterio capace di moltiplicarsi potrebbe occupare lo spazio disponibile, consumare nutrienti o modificare le condizioni chimiche della coltura. Per limitare questi rischi, PRISM-LT ha sviluppato anche minicellule batteriche che mantengono una certa attività biologica ma non sono in grado di dividersi.
Queste unità possono continuare a produrre proteine senza generare una popolazione batterica in crescita. Il principio potrebbe rendere più stabile la co-coltura e facilitare il controllo della quantità di fattori biologici rilasciati nel materiale.
Il risultato dovrà comunque essere valutato attraverso parametri precisi: vitalità delle cellule staminali, uniformità della differenziazione, stabilità genetica dei microrganismi, quantità di proteine prodotte e ripetibilità del processo.
Lieviti ingegnerizzati per muscolo e tessuto adiposo
Per le applicazioni alimentari, il consorzio ha scelto di lavorare soprattutto con lieviti modificati. La decisione è legata sia alle caratteristiche biologiche dei lieviti sia alla percezione dei consumatori, che potrebbero considerare più familiare un processo produttivo basato su microrganismi già associati alla panificazione, alla fermentazione e alla produzione di bevande.
I lieviti vengono progettati per produrre fattori che sostengono la formazione di cellule muscolari e adipose. Uno dei sistemi sviluppati dal progetto utilizza l’acido lattico come segnale. Quando le cellule presenti nel materiale modificano il proprio metabolismo e rilasciano determinate quantità di lattato, i lieviti possono rilevarlo e regolare la loro attività.
Il gruppo sta studiando anche sistemi nei quali i lieviti rispondano alle proprietà fisiche del bioinchiostro, come la rigidità della matrice. Questo approccio consentirebbe di collegare ancora più strettamente la geometria stampata, le caratteristiche meccaniche del materiale e la produzione locale dei fattori di crescita.
Il problema consiste nel trovare condizioni compatibili con organismi che, in natura, non formano un sistema comune. Temperatura, acidità, concentrazione dei nutrienti e composizione del mezzo devono sostenere le cellule staminali senza compromettere l’attività dei lieviti. Allo stesso tempo, la presenza dei microrganismi non deve alterare il tessuto in modo incontrollato.
Due strategie per costruire strutture eterogenee
Nel corso del progetto sono state testate due strategie principali. La prima prevede la miscelazione diretta delle cellule staminali con bioinchiostri morbidi o rigidi. Stampando questi materiali in zone differenti, i ricercatori cercano di creare una mappa meccanica capace di indirizzare la crescita del tessuto.
La seconda strategia utilizza microcapsule con livelli di elasticità predefiniti. Le capsule vengono prodotte separatamente e poi assemblate in strutture tridimensionali. Questo metodo permette di controllare il microambiente di ciascun gruppo cellulare prima della costruzione del tessuto completo.
Per depositare correttamente regioni morbide e rigide sono stati sviluppati protocolli di biostampa e strumenti software dedicati. Il progetto ha inoltre applicato tecniche di caratterizzazione basate sulla microscopia Brillouin, un metodo ottico che consente di misurare le proprietà meccaniche di un materiale senza distruggere il campione.
La possibilità di verificare la rigidità delle diverse zone è importante perché una struttura può apparire corretta dal punto di vista geometrico ma non fornire alle cellule gli stimoli meccanici previsti. La qualità di un tessuto biostampato dipende quindi tanto dalla forma quanto dalle caratteristiche fisiche e biologiche di ogni area.
Tempi di stampa e maturazione del tessuto
La fase di deposizione può durare da pochi minuti a circa un’ora, in funzione delle dimensioni e della complessità della struttura. La stampa, però, rappresenta soltanto l’inizio del processo.
Dopo la deposizione, il costrutto deve rimanere in coltura per circa tre settimane. In questo periodo le cellule si moltiplicano, modificano la propria forma, interagiscono con la matrice e sviluppano le caratteristiche del tessuto verso il quale sono state indirizzate.
Il gruppo riesce a produrre campioni sottili con una superficie di circa un centimetro quadrato. L’obiettivo successivo è arrivare a blocchi dell’ordine di un centimetro cubo.
Il passaggio da una struttura sottile a un volume tridimensionale non è soltanto un aumento di dimensioni. Richiede uniformità nella distribuzione delle cellule, controllo delle proprietà meccaniche interne e condizioni di coltura compatibili con tutti i componenti. La scalabilità dovrà inoltre essere accompagnata dalla capacità di ottenere campioni confrontabili tra laboratori e cicli produttivi diversi.
Un modello tridimensionale del midollo osseo
La prima applicazione dimostrativa riguarda l’interfaccia tra osso e grasso presente nel midollo osseo. Questo ambiente non è composto da un solo tipo cellulare: contiene cellule ematopoietiche, cellule stromali, tessuto adiposo, strutture vascolari e componenti ossee che comunicano attraverso segnali chimici e meccanici.
Riprodurre almeno una parte di questa organizzazione potrebbe permettere di studiare in laboratorio il comportamento delle cellule tumorali in un ambiente più vicino a quello umano rispetto a una coltura bidimensionale.
Il consorzio intende utilizzare la piattaforma per costruire modelli destinati allo studio della leucemia e alla valutazione di farmaci. Un modello tridimensionale standardizzato potrebbe aiutare i ricercatori a osservare come una terapia interagisce non soltanto con le cellule malate, ma anche con il microambiente che le circonda.
La stessa impostazione potrebbe essere adattata alla produzione di organoidi e piccoli modelli tissutali per la ricerca preclinica. Non si tratta di organi completi, bensì di sistemi semplificati progettati per riprodurre alcune caratteristiche strutturali e funzionali di un tessuto.
Prima di un impiego in ambito farmaceutico sarà necessario dimostrare che i modelli generano risultati ripetibili e che le loro risposte ai trattamenti corrispondono in misura significativa a quanto osservato nei tessuti umani.
La marezzatura come problema della carne coltivata
La seconda applicazione riguarda la produzione di carne coltivata con una distribuzione controllata di muscolo e grasso.
Molti prodotti ottenuti da colture cellulari presentano una struttura relativamente uniforme. Questa caratteristica può essere sufficiente per preparazioni tritate o rielaborate, ma diventa un limite quando si cerca di riprodurre un taglio intero.
Nella carne animale il tessuto adiposo intramuscolare contribuisce alla consistenza, alla succosità e alla percezione aromatica durante la cottura. Non basta quindi coltivare separatamente cellule muscolari e adipose: occorre organizzarle nello spazio secondo una struttura riconoscibile.
Con i moduli sviluppati da PRISM-LT, le zone destinate al muscolo e quelle destinate al grasso potrebbero essere stampate seguendo un disegno prestabilito. I lieviti ingegnerizzati fornirebbero segnali locali durante la maturazione, sostenendo la differenziazione delle cellule nel punto in cui sono state depositate.
Il progetto non ha presentato un alimento pronto per la vendita. Il lavoro riguarda la dimostrazione dei principi biologici, la progettazione dei materiali e la verifica della possibilità di aumentare le dimensioni dei campioni.
Anche qualora la struttura risultasse adeguata, resterebbero da affrontare il costo dei mezzi di coltura, la velocità produttiva, la sicurezza microbiologica, la composizione nutrizionale, il comportamento durante la cottura e la gestione dei microrganismi utilizzati nel processo.
Una tecnologia difficile da collocare nelle regole esistenti
I materiali viventi ingegnerizzati combinano elementi che vengono regolati attraverso sistemi differenti. Possono contenere cellule umane o animali, biomateriali, componenti prodotti con biologia sintetica e microrganismi geneticamente modificati.
Un costrutto destinato alla ricerca farmacologica non presenta gli stessi requisiti di un prodotto terapeutico. Allo stesso modo, un tessuto utilizzato come modello di laboratorio segue un percorso diverso rispetto a un materiale che deve essere impiantato in un paziente.
Nel settore alimentare, la carne coltivata destinata al mercato europeo dovrebbe attraversare la procedura prevista per i nuovi alimenti. La valutazione deve considerare il metodo di produzione, la composizione, la stabilità del prodotto, gli aspetti nutrizionali, la possibile presenza di allergeni e i dati tossicologici.
L’impiego di lieviti o batteri ingegnerizzati introduce ulteriori domande. Occorre stabilire se i microrganismi restano nel prodotto finale, se vengono inattivati o rimossi, quali molecole producono e come viene controllata la loro stabilità genetica.
PRISM-LT partecipa al confronto tra l’European Innovation Council e la European Medicines Agency sui possibili percorsi regolatori per gli Engineered Living Materials. Il coinvolgimento anticipato degli organismi di controllo serve a identificare i dati che dovranno essere raccolti durante la ricerca, evitando che la tecnologia venga valutata soltanto quando il prodotto è già definito.
La fattibilità è stata dimostrata, la scala resta da verificare
Secondo il gruppo di ricerca, il progetto ha risposto alla prima domanda posta all’inizio dei lavori: cellule staminali e microrganismi ingegnerizzati possono essere integrati in un materiale biostampabile e mantenere una relazione funzionale.
Questo risultato non equivale alla disponibilità di un processo industriale. La fase successiva dovrà dimostrare che il sistema può crescere in dimensioni, complessità e volume produttivo senza perdere controllo biologico.
Un metodo destinato alla ricerca biomedica dovrà produrre campioni standardizzati, confrontabili e sufficientemente stabili da essere utilizzati negli studi farmacologici. Un processo alimentare dovrà raggiungere costi, sicurezza e capacità produttiva compatibili con la filiera.
Il contributo di PRISM-LT consiste soprattutto nell’aver trasformato il bioinchiostro in un ambiente biologicamente attivo. La stampante definisce la geometria iniziale, ma la formazione del tessuto prosegue attraverso l’interazione tra cellule, materiali e microrganismi programmati per riconoscere segnali specifici.
La domanda non è più soltanto come depositare cellule vive senza danneggiarle. Il problema diventa come guidarle, controllarle e mantenerle nella direzione desiderata durante le settimane successive alla stampa. È su questo passaggio, dalla deposizione alla maturazione organizzata, che si misurerà l’effettiva utilità della piattaforma.
