La biostampante ad alta produttività stampa rapidamente modelli di tessuto in vitro in 3D
I nanoingegneri dell’Università della California di San Diego (UCSD) hanno dimostrato che la loro nuova piattaforma di bioprinting può produrre rapidamente grandi lotti di campioni di tessuto umano vivente personalizzati che potrebbero aiutare ad accelerare lo sviluppo di farmaci e ridurre i costi. Lavorando dal laboratorio, i ricercatori hanno dimostrato che la loro tecnologia è la prima biostampante basata sull’elaborazione della luce digitale (DLP) in grado di produrre ad alto rendimento di complessi sistemi di coltura cellulare 3D. La tecnologia viene ora commercializzata come un modello compatto ad alta produttività di nuova generazione con il nome di Stemaker da UCSD spin-off, Allegro 3D .
La stampante faceva parte di uno studio pubblicato sulla rivista Biofariaction per mostrare vari costrutti, compresi i tessuti del cancro del fegato umano, e dimostrare un significativo progresso della bioprinting . Secondo i ricercatori, la velocità di produzione di scaffold tissutali biostampati in 3D con architetture spaziali controllabili e proprietà meccaniche può ora essere eseguita su una scala ad alta produttività, consentendo una rapida generazione di modelli di tessuto 3D in vitro utilizzando piastre di coltura cellulare multipozzetto convenzionali, ideali per un’elevata produttività. test preclinici sui farmaci e modellizzazione delle malattie nell’industria farmaceutica.
Il processo di sviluppo di un nuovo farmaco da parte di un’azienda farmaceutica richiede solitamente dai 12 ai 15 anni e oltre 2,6 miliardi di dollari in costi di sviluppo prima di essere immesso sul mercato. Generalmente inizia con lo screening di decine di migliaia di farmaci candidati in provette, quindi i candidati idonei vengono testati sugli animali. Tutti quelli che superano questa fase passano alle sperimentazioni cliniche. Solo uno di questi candidati entrerà nel mercato come farmaco approvato dalla FDA con un po’ di fortuna. Per gli scienziati, la maggior parte delle sfide si verificano durante le fasi di convalida della pipeline di sviluppo, ad esempio durante gli screening in vitro in modelli animali preclinici o durante la traduzione dei pochi successi di successo nei modelli animali negli esseri umani durante i test clinici.
Nello screening ad alto rendimento (HTS), è necessario un gran numero di campioni facili da usare, coerenti e funzionali per garantire analisi e valutazioni accurate, ma i sistemi esistenti in grado di stampare ad alto rendimento di costrutti biologici tendono a sacrificare la sofisticatezza 3D a favore di velocità, hanno spiegato i ricercatori. I nanoingegneri dell’UCSD si sono resi conto che esiste un bisogno insoddisfatto di un sistema di bioprinting 3D in grado di fabbricare tessuti complessi, con un’enfasi su una scala ad alta produttività.
Il nuovo dispositivo potrebbe affrontare alcune limitazioni nei metodi HTS comunemente impiegati in vari settori biologici, chimici e farmaceutici, dove si prevede che il mercato della scoperta di farmaci in tutto il mondo raggiungerà i 71 miliardi di dollari entro il 2025. Il nuovo sviluppo della biotecnologia per accelerare e automatizzare la stampa diretta di scaffold 3D e i tessuti permetterebbero agli sviluppatori di farmaci di accumulare rapidamente grandi quantità di tessuti umani su cui potrebbero testare ed eliminare i candidati farmaci molto prima. Sebbene gli scienziati abbiano osservato che mentre la loro tecnologia potrebbe non eliminare i test sugli animali , potrebbe ridurre al minimo i guasti riscontrati durante quella fase.
“Con i tessuti umani, puoi ottenere dati migliori, dati umani reali, su come funzionerà un farmaco”, ha affermato Shaochen Chen, co-primo autore dello studio e vicepresidente del dipartimento di nanoingegneria presso la UCSD Jacobs School of Engineering . “La nostra tecnologia può creare questi tessuti con capacità ad alta produttività, alta riproducibilità e alta precisione. Questo potrebbe davvero aiutare l’industria farmaceutica a identificare e concentrarsi rapidamente sui farmaci più promettenti”.
In grado di produrre strutture realistiche con intricate caratteristiche microscopiche, come i tessuti del cancro del fegato umano contenenti reti di vasi sanguigni, la tecnologia può stampare uno di questi campioni di tessuto in circa 10 secondi. In alternativa, la fabbricazione dello stesso campione richiederebbe ore con i metodi tradizionali. Inoltre, ha l’ulteriore vantaggio di stampare automaticamente i campioni direttamente nelle piastre a pozzetti industriali, in modo che non debbano più essere trasferiti manualmente uno alla volta dalla piattaforma di stampa alle piastre a pozzetti per lo screening. Può produrre fino a 96 pozzetti di campioni di tessuto umano vivente in 30 minuti, il che, secondo Chen, è un “mondo di differenza” in termini di risparmio di tempo, rispetto alle 96 ore necessarie con un metodo convenzionale, oltre al tempo di trasferimento del campione .
Secondo lo studio, i ricercatori progettano prima i modelli 3D desiderati di strutture biologiche con un software CAD da dati di imaging medico derivati dal paziente per stampare i loro campioni di tessuto. Il computer quindi suddivide il modello in istantanee 2D e le trasferisce su milioni di specchi di dimensioni microscopiche. Ogni specchio è controllato digitalmente per proiettare modelli di luce viola sotto forma di queste istantanee. I modelli di luce vengono proiettati su una soluzione contenente colture cellulari vive e polimeri fotosensibili che si solidificano dopo l’esposizione alla luce. La struttura viene stampata rapidamente, creando un’impalcatura polimerica solida 3D che incapsula cellule vive che cresceranno e diventeranno tessuto biologico.
Questa tecnica ha prodotto rapidamente scaffold di linea cellulare di carcinoma epatocellulare biomimetico 3D (HepG2) per un test di risposta farmacologica funzionale nella stessa piastra a pozzetti in cui sono stati stampati, con un’elaborazione post-stampa minima. Dimostrazione della capacità del dispositivo di fabbricare caratteristiche di piccole dimensioni (<10 micron), riproduzione coerente di forme complesse e controllo delle proprietà meccaniche sulla rigidità dell’impalcatura tissutale. Gli esperti hanno affermato che la loro biostampante potrebbe creare un nuovo paradigma per la scoperta di farmaci e piccole molecole perché le indagini di screening combinatorio ad alto rendimento possono essere potenzialmente condotte su modelli di tessuto di tipo umano 3D invece di colture monostrato 2D o modelli animali non umani, aumentando notevolmente l’efficienza del processo di scoperta del farmaco.
Questo recente lavoro si basa sulla tecnologia di biostampa 3D che il team di Chen ha inventato nel 2013, che è iniziata come una piattaforma per la creazione di tessuti biologici viventi per la medicina rigenerativa, con progetti di stampa 3D di tessuti epatici , reti di vasi sanguigni, tessuti cardiaci, impianti del midollo spinale e persino strutture ispirate al corallo che gli scienziati marini possono utilizzare per studiare la crescita delle alghe e per aiutare i progetti di ripristino della barriera corallina. Nel 2017, Chen ha co-fondato Allegro 3D con l’allievo di nanoingegneria Wei Zhu. Insieme hanno ricevuto $ 1 milioni di sovvenzione premio dalla National Science Foundation (NSF) per sviluppare il modello di biostampa 3D nel dispositivo Stemaker completamente commercializzato, che è automatizzato per la stampa in piastre da 6, 12 e 24 pozzetti e ha un design compatto che lo rende facilmente adattabile a qualsiasi armadio di biosicurezza.
