FluidForm e Carnegie Mellon: più vicini che mai alla bioprinting di un cuore umano
Mentre il regno della bioprinting ha continuato ad espandersi significativamente negli ultimi anni, consentendo una migliore sostenibilità delle cellule in laboratorio – e il bioink usato per stamparle – l’obiettivo finale è quasi sempre quello di avvicinarsi molto di più agli organi di stampa 3D , il che significa il potenziale per un enorme cambiamento nell’attuale cultura medica dei pazienti che soffrono e spesso muoiono in attesa di trapianti. Ora, con una collaborazione tra la startup FluidForm e la Carnegie Mellon University , gli scienziati potrebbero effettivamente essere molto più vicini che mai alla bioprinting di un cuore umano.
I risultati sull’argomento sono stati pubblicati di recente nella seconda edizione di Science in merito al lavoro del team di ricerca della Carnegie Mellon University, composto da co-primi autori e co-fondatori di FluidForm Andrew Lee e Andrew Hudson e dai nove membri della Carnegie Mellon squadra. Hanno appena sviluppato una versione avanzata della tecnologia Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH) che consente loro di stampare collagene in 3D. Con questi nuovi progressi, gli scienziati possono fabbricare componenti cardiaci, inclusi minuscoli vasi sanguigni, valvole e ventricoli battenti.
Il brevetto per questo importante lavoro appartiene a FluidForm, con sede a Pittsburgh e Boston.
“Ora abbiamo la capacità di costruire costrutti che ricapitolano le principali proprietà strutturali, meccaniche e biologiche dei tessuti nativi”, ha affermato il Prof. Adam Feinberg, CTO e co-fondatore, FluidForm, e Principal Investigator, Regenerative Biomaterials and Therapeutics Group, Carnegie Mellon , dove è stata effettuata la ricerca. “Ci sono ancora molte sfide da superare per portarci agli organi 3D bioingegnerizzati, ma questa ricerca rappresenta un grande passo avanti”.
Creato da dati MRI, i cuori bioprintati FRESH erano costituiti da piccoli ventricoli cardiaci stampati con cardiomiociti umani che dimostravano quanto segue:
Contrazioni sincronizzate
Propagazione potenziale azione direzionale
Ispessimento delle pareti fino al 14 percento durante la sistole di picco
“Abbiamo scoperto che i cuori FRESH 3D bioprinted riproducono accuratamente la struttura anatomica specifica del paziente determinata dalla tomografia micro-computata. I ventricoli cardiaci stampati con cardiomiociti umani hanno mostrato contrazioni sincronizzate, propagazione del potenziale d’azione direzionale e ispessimento delle pareti fino al 14% durante la sistole di picco “, affermano i ricercatori nel loro documento,” bioprinting 3D del collagene per ricostruire componenti del cuore umano “.
Altri ostacoli sono ancora presenti, poiché gli scienziati lottano per generare i miliardi di cellule necessarie per la stampa 3D di tessuti più grandi.
“Sebbene la bioprinting 3D di un organo completamente funzionale non sia ancora stata raggiunta, ora abbiamo la capacità di costruire costrutti che iniziano a ricapitolare le proprietà strutturali, meccaniche e biologiche dei tessuti nativi”, hanno affermato i ricercatori nel loro articolo.
Mentre in precedenza gli scienziati avevano proiettato la bioprinting degli organi in un futuro molto prossimo, si è dimostrato molto più difficile del previsto, ovviamente. Le pietre miliari continuano ad essere superate, ma le sfide continuano a scoppiare, principalmente nel mantenere le cellule in vita in coordinamento con la tecnologia appropriata, il che significa che materiali, software e hardware continuano a essere un focus significativo. Con FRESH viene utilizzato un gel di supporto temporaneo per la stampa 3D di impalcature di collagene, guidato da una rapida variazione del pH che determina l’autoassemblaggio del collagene. Ci sono promesse non solo per i cuori di stampa 3D, tuttavia, ma per una serie di tessuti e organi diversi in futuro.
“FluidForm è straordinariamente orgoglioso delle ricerche condotte nel laboratorio Feinberg”, ha dichiarato Mike Graffeo, CEO di FluidForm. “La tecnica FRESH sviluppata presso la Carnegie Mellon University consente ai ricercatori di bioprinting di raggiungere una struttura, una risoluzione e una fedeltà senza precedenti, che consentiranno un salto di qualità nel campo. Siamo molto entusiasti di rendere questa tecnologia disponibile per i ricercatori di tutto il mondo “.
FluidForm presenta il suo primo prodotto, il gel di supporto per bioprinting LifeSupport ™ , commercializza la tecnologia FRESH e offre a scienziati e ricercatori in tutto il mondo l’opportunità di stampare collagene, cellule e biomateriali.
(A) Sequenza time-lapse di bioprinting 3D delle lettere “CMU” utilizzando FRESH v2.0. (B) Schema della soluzione di collagene acidificato estruso nel bagno di supporto FRESH tamponato a pH 7,4, in cui una rapida neutralizzazione provoca la gelificazione e la formazione di un filamento di collagene. (C e D) Immagini rappresentative delle microparticelle di gelatina nel bagno di supporto per (C) FRESH v1.0 e (D) v2.0, che mostrano la riduzione delle dimensioni e della polidispersità. (E) Istogramma della distribuzione del diametro di Feret per microparticelle di gelatina in FRESH v1.0 (blu) e v2.0 (rosso). (F) Diametro medio di Feret delle microparticelle di gelatina per FRESH v1.0 e v2.0 [N> 1200, i dati sono medi ± SD, **** P <0,0001 (test t di Student)]. (G) I moduli di stoccaggio (Gʹ) e di perdita (Gʺ) per i bagni di supporto FRESH v1.0 e v2.0 mostrano il comportamento del fluido da stress di snervamento. (H) Un costrutto di stampa “a cornice di finestra” con singoli filamenti nel mezzo, confrontando il codice G (a sinistra), FRESH v1.0 (al centro) e FRESH v2.0 (a destra). (I) Filamenti singoli di collagene che mostrano la variabilità del diametro più piccolo (~ 250 μm) che può essere stampato usando FRESH v1.0 (in alto) rispetto ai filamenti relativamente lisci da 20 a 200 μm di diametro usando FRESH v2.0 (in basso) . (J) Filamento di collagene Diametro del Feret in funzione del diametro interno dell’ago di estrusione per FRESH v2.0, che mostra una relazione lineare. 
(A) Costruzione del tubo di collagene stampato FRESCO. (B) Cellula C2C12 e miscela di gel di collagene fusi attorno alla provetta di collagene e sottoposti a coltura statica per 5 giorni. (C) Sezione del tessuto da (B) macchiata per cellule vive (verdi) e morte (rosse). (D) C2C12 miscela di cellule e gel di collagene fusa attorno alla provetta di collagene e perfusa per 5 giorni. (E) Sezione trasversale del tessuto da (D) macchiata per cellule vive e morte. (F) Percentuale di vitalità cellulare in funzione della profondità dalla superficie superiore dei tessuti dai costrutti del tubo di collagene statico e perfuso [N = 3, i dati sono mezzi ± SD, * P <0,05 (ANOVA a due vie seguito da multiplo Bonferroni -comparisons posttest)]. (G) Imaging multifotonico che mostra la porosità della microscala nei costrutti di collagene stampati FRESH dopo la rimozione del bagno di supporto della microparticella di gelatina. (H e I) Il collagene costruisce il cast (H) e la stampa FRESH (I) senza VEGF 7 giorni dopo l’impianto sottocutaneo. (J e K) Colorazione tricromica di Masson per visualizzare cellule (rosse) e collagene (blu) nei dischi di collagene (K) e stampati (K) stampati dopo 7 giorni dall’impianto sottocutaneo. (L) Densità cellulare dopo l’impianto in funzione della profondità per i dischi di collagene stampati e stampati FRESH. (M e N) Il collagene costruisce il cast (M) e la stampa FRESH (N) con VEGF (100 ng / ml) 10 giorni dopo l’impianto sottocutaneo. Colorazione (O e P) CD31 (marrone) e cellule (blu) dei dischi di collagene cast (O) e stampati in FRESH (P) drogati con VEGF (100 ng / ml) dopo 10 giorni di impianto sottocutaneo. (Q) Infiltrazione vascolare ospite di vasi (diametro da 8 a 50 μm) nel disco di collagene stampato FRESH etichettato mediante iniezione di vena di coda di lectina (rosso). 
(A) Costruzione del tubo di collagene stampato FRESCO. (B) Cellula C2C12 e miscela di gel di collagene fusi attorno alla provetta di collagene e sottoposti a coltura statica per 5 giorni. (C) Sezione del tessuto da (B) macchiata per cellule vive (verdi) e morte (rosse). (D) C2C12 miscela di cellule e gel di collagene fusa attorno alla provetta di collagene e perfusa per 5 giorni. (E) Sezione trasversale del tessuto da (D) macchiata per cellule vive e morte. (F) Percentuale di vitalità cellulare in funzione della profondità dalla superficie superiore dei tessuti dai costrutti del tubo di collagene statico e perfuso [N = 3, i dati sono mezzi ± SD, * P <0,05 (ANOVA a due vie seguito da multiplo Bonferroni -comparisons posttest)]. (G) Imaging multifotonico che mostra la porosità della microscala nei costrutti di collagene stampati FRESH dopo la rimozione del bagno di supporto della microparticella di gelatina. (H e I) Il collagene costruisce il cast (H) e la stampa FRESH (I) senza VEGF 7 giorni dopo l’impianto sottocutaneo. (J e K) Colorazione tricromica di Masson per visualizzare cellule (rosse) e collagene (blu) nei dischi di collagene (K) e stampati (K) stampati dopo 7 giorni dall’impianto sottocutaneo. (L) Densità cellulare dopo l’impianto in funzione della profondità per i dischi di collagene stampati e stampati FRESH. (M e N) Il collagene costruisce il cast (M) e la stampa FRESH (N) con VEGF (100 ng / ml) 10 giorni dopo l’impianto sottocutaneo. Colorazione (O e P) CD31 (marrone) e cellule (blu) dei dischi di collagene cast (O) e stampati in FRESH (P) drogati con VEGF (100 ng / ml) dopo 10 giorni di impianto sottocutaneo. (Q) Infiltrazione vascolare ospite di vasi (diametro da 8 a 50 μm) nel disco di collagene stampato FRESH etichettato mediante iniezione di vena di coda di lectina (rosso).