Intervista a Gordon Wallace sulle soluzioni di bioprinting per le sfide mediche
In una gara per combattere sfide mediche molto specifiche, Gordon Wallace ha sviluppato progressi rivoluzionari e su misura nel campo della bioprinting, sia in dispositivi di stampa 3D specializzati sia in bioink personalizzati. Insieme ad altri ricercatori dell’Università di Wollongong (UOW), in Australia, lavorando con clinici e istituzioni, cercano di trovare soluzioni per condizioni rare, come microtia, schizofrenia, epilessia, nonché per afflizioni più comuni, tra cui ulcere corneali e cartilagine danneggiata.
Un illustre professore alla UOW, Wallace, ha lavorato nel campo della bioprinting negli ultimi 25 anni con un background nella scienza dei materiali. La sua prima incursione nella biotecnologia fu lo sviluppo di nuovi materiali per elettrodi per l’impianto cocleare multicanale pionieristico di Graeme Clark per la sordità da grave a profonda, e nello sviluppo di quei nuovi materiali Wallace si rese conto che la fabbricazione convenzionale non era abbastanza buona, il che ha rapidamente suscitato interesse per sviluppo di nuove tecniche di stampa 3D.
“Siamo stati fortunati perché tutti i nostri progetti e ricerche sono stati guidati dalla nostra incredibile rete di medici in tutto il paese”, ha spiegato Wallace a 3DPrint.com durante un’intervista. “Questo è un campo altamente interdisciplinare, quindi attraverso gli sforzi collaborativi il bioprinting ha fatto molti progressi. La nostra collaborazione spazia da produttori tempestivi di materiali, come i coltivatori di alghe marine – estraiamo le molecole da questo tipo di alghe e le usiamo come fonte del nostro bioink – attraverso l’elaborazione dei materiali nell’ingegneria meccatronica, la progettazione e la costruzione di applicazioni con tecnologi cellulari e medici specialisti “.
Wallace ha identificato e personalizzato materiali e bioprinter per fornire soluzioni come BioPen per la rigenerazione della cartilagine, iFix Pen per il trattamento dell’ulcerazione corneale, bioprinter 3D Alek per riprodurre la complessa geometria di un orecchio esterno , portando a un progetto per riprodurre le cellule cerebrali e persino ha sviluppato una bioprinter specializzata in trapianto di isole pancreatiche (PICT). La maggior parte degli sviluppi è in corso presso il Centro di eccellenza ARC per la scienza degli elettromateriali (ACES), di cui Wallace è direttore esecutivo; la Translational Research Initiative for Cellular Engineering and Printing (TRICEP), che ha anche l’esperto come direttore, e l’ Australian National Fabrication Facility(ANFF) Nodo materiali, basato presso il Campus di innovazione UOW. L’università e i suoi istituti partner sono rapidamente diventati alcuni dei punti di riferimento per i progressi della bioprinting medica. TRICEP è un’iniziativa posseduta al 100% da UOW e può commercializzare opportunità nel bioprinting 3D tra cui produzione di stampanti, biomateriali, bioink e combinazioni materiale-cellulare per affrontare importanti sfide del settore che richiedono una soluzione esclusiva e su misura; che ospita anche una serie di additivi tecnologie di produzione, tra cui la stampante risoluzione di metallo più alta in Australia e capacità biofabrication leader del paese di sviluppare biomateriali.
Nel 2014, Wallace insieme ai ricercatori del Dipartimento di Chirurgia dell’Ospedale di Saint Vincent di Melbourne hanno usato le cellule staminali per costruire strutture 3D per incoraggiare la formazione di cartilagine nei tessuti umani sostenendo di essere in procinto di raggiungere il loro obiettivo: “vera rigenerazione della cartilagine. “Poco dopo, un team guidato da Wallace ha sviluppato BioPen , che consente ai chirurghi di utilizzare una penna per stampante 3D coassiale manuale riempita con inchiostro di cellule staminali per” attirare “la nuova cartilagine in ginocchia danneggiate nel mezzo di una procedura chirurgica, fornire ai professionisti un maggiore controllo sulle riparazioni articolari e ridurre i tempi di chirurgia.
“Il BioPen alla fine riparerà ossa, muscoli e tendini danneggiati e ridurrà la necessità di sostituzioni articolari rigenerando la cartilagine, cosa che abbiamo già fatto in studi preliminari sugli animali. Durante quest’anno e il prossimo, speriamo di condurre alcuni studi preclinici, e se quelli si rivelano efficaci il piano è quello di passare agli studi clinici con il professor Peter Choong, direttore dell’ortopedia presso l’ospedale Saint Vincent di Melbourne . La riparazione della cartilagine del ginocchio è piuttosto grande in Australia perché è un paese orientato allo sport con una grande richiesta, specialmente nei pazienti più giovani che potrebbero aver subito un infortunio legato allo sport e, grazie a ciò, potrebbero evitare l’artrosi più tardi nella vita, “Ha spiegato Wallace.
Presto, altri clinici si interessarono all’utilità del BioPen, pensando che potesse essere applicabile ad altre discipline mediche, come per il trattamento di ferite e ulcere negli occhi. Gerard Sutton, chirurgo oftalmico e professore di chirurgia corneale e refrattiva presso il Save Sight Institute, presso la School of Medicine dell’Università di Sydney, notò cosa stava facendo Wallace e pensò di poter stampare un diverso tipo di inchiostro direttamente nell’occhio. Presto hanno iniziato a lavorare insieme per rivoluzionare il trattamento dell’ulcerazione corneale sviluppando l’iFix Pen, che offre una speciale formulazione di bioink che ha la capacità di facilitare la guarigione e prevenire l’infezione nel trattamento della malattia, che causa gravi dolori agli occhi, morbilità visiva e perdita della vista e rappresenta ogni anno 55.000 ricoveri ospedalieri in Australia. Il nuovo entusiasmante programma di bioingegneria corneale collaborativa è iniziato nel 2017 e ha ricevuto oltre 780 mila dollari statunitensi per la ricerca e lo sviluppo. La sperimentazione sugli animali è già in corso.
“In laboratorio utilizziamo sia cellule staminali che biomateriali. La fonte delle cellule varia a seconda dell’applicazione clinica che stiamo perseguendo, così come i diversi tipi di combinazioni di biomateriali che costituiscono il bioink che dipende anche dal paziente. La scelta è guidata dall’applicazione clinica, mentre l’ottimizzazione delle prestazioni in quello specifico ambiente biologico richiede una diversa combinazione di cellule e materiali per i bioink “, ha continuato.
Un altro progetto molto specifico è lo sviluppo di una bioprinter 3D personalizzata dedicata specificamente al trattamento della microtia , una deformità congenita che si traduce in un orecchio esterno sottosviluppato. Chiamata 3D Alek, la macchina è stata recentemente installata presso il Royal Prince Alfred Hospital (RPA) , a Sydney, da quando è stata realizzata in collaborazione con il professore associato e chirurgo Ear, Nose and Throat alla RPA, Payal Mukherjee , che tratta molti bambini che hanno la malattia. Secondo Wallace, la visione di Mukherjee era quella di creare un orecchio esterno stampato in 3D. Alla fine, l’obiettivo è stampare in 3D un orecchio vivente usando le cellule staminali di un paziente, qualcosa che il team sta sviluppando ora.
“Ma il bioprinting non è privo di sfide, che sono ancora nell’ottimizzazione delle combinazioni di celle e materiali per applicazioni particolari. Inoltre, una sfida generale nelle strutture stampate in 3D per la rigenerazione dei tessuti è la capacità di incoraggiare la vascolarizzazione di quella struttura in modo da poter trattare difetti più grandi. Credo che sia una sfida che molti gruppi in tutto il mondo, incluso il nostro, sono preoccupati ”, ha suggerito Wallace.
Sfida o nessuna sfida, Wallace è al lavoro. All’UOW Intelligent Polymer Research Institute (IPRI), che ha fondato e anche diretto, Jeremy Crook, professore associato presso UOW e ACES, sta conducendo un progetto per riprodurre le cellule cerebrali attraverso la bioprinting, per studiare condizioni come la schizofrenia, l’epilessia e la depressione.
“Spinti dalle necessità cliniche, siamo davvero interessati a come si sviluppano malattie come l’epilessia e la schizofrenia, e un modo per provare ad approfondire è quello di essere in grado di imprimere cellule staminali bioprint 3D dal paziente e provare a creare reti neurali funzionali su la panchina per capire come si sviluppano queste malattie, così come per ottenere informazioni su quel pezzettino di tessuto che abbiamo creato con la ricerca sulla panchina per testare interventi, come quello farmaceutico. “
Qualche anno fa Crook e Wallace hanno indicato che molti disturbi neuropsichiatrici derivano da uno squilibrio di sostanze chimiche chiave chiamate neurotrasmettitori , che sono prodotte da specifiche cellule nervose nel cervello. La serotonina difettosa e le cellule nervose produttrici di GABA sono implicate nella schizofrenia e nell’epilessia mentre le cellule produttrici di dopamina difettose sono coinvolte nella malattia di Parkinson, quindi il team ha iniziato a utilizzare la stampa 3D e il bioink per coinvolgere i neuroni nella produzione di GABA e serotonina, oltre a supportare le cellule chiamato neuroglia .
Più di recente, i ricercatori ACES hanno sviluppato una bioprinter per aiutare le persone con diabete di tipo 1 , la stampante 3D Pancreatic Islet Cell Transplantation (PICT), che funziona fornendo cellule di isole produttrici di insulina ed è ora in uso presso il Royal Adelaide Hospital (RAH) , dove Wallace e il suo team hanno collaborato con il Professore di Medicina Toby Coates della RAH . Essi sono in programma di migliorare l’efficacia dei trapianti di cellule isolotto incapsulando cellule insulari donati in una struttura 3D stampata, per proteggerli durante e dopo il trapianto. Ma non è tutto, molti altri progetti sono in arrivo, inclusa la guarigione delle ferite con Chris Baker, capo di dermatologia presso l’ospedale St Vincent di Melbourne in collaborazione con ACES in studi clinici; strutture stampate per comprendere il collasso e la prevenzione delle vie aeree con Stuart MacKay, chirurgo e professore clinico di otorinolaringoiatria e chirurgia della testa e del collo presso UOW, e persino bioprinting nello spazio, che è qualcosa su cui Wallace afferma che “sono stati recentemente contattati”.
“Abbiamo appena iniziato a pensare alla capacità di stampare in 3D e creare cose su richiesta in luoghi remoti, come lo spazio, è un’applicazione ideale e qualcosa che ci interessa molto perseguire. Per ora, non ho una vera esperienza su come la microgravità influenzerà la bioprinting, ma quale esperimento emozionante sarebbe “, ha affermato l’esperto.
Secondo l’esperto, ci è voluto un po ‘di tempo per costruire la rete collaborativa globale che hanno ora, ma sembra che tutto si stia concretando, anche alcuni degli aspetti più complessi del bioprinting, come discussioni su questioni normative, qualcosa che Wallace è piuttosto coinvolti, così come l’impegno in questioni etiche che potrebbero sorgere.
“In questo settore, la Therapeutic Goods Administration (TGA) è stata molto proattiva nel coinvolgimento con la comunità di ricerca, commerciale e clinica al fine di cercare di formulare un quadro normativo adeguato in grado di accogliere la bioprinting 3D in Australia. Sono consapevoli che la tecnologia si sta muovendo molto velocemente, quindi vogliono assicurarsi che tutto sia a posto ”, ha continuato Wallace.
Come parte del florido ambiente accademico presso UOW, Wallace è professore di corsi post-laurea, dove negli ultimi anni ha notato un aumento dell’interesse degli studenti per le carriere STEM e la biotecnologia.
“La stampa 3D ha già rivoluzionato le connessioni tra scienza, ingegneria e matematica e la nostra capacità di essere incredibilmente creativi e creare nuove strutture. Ma sebbene i nostri corsi siano molto richiesti e anche la nostra piattaforma online per conoscere la stampa 3D delle parti del corpo sia stata popolare con oltre 30.000 studenti, penso ancora che ci sarà un divario tra la domanda e l’offerta di professionisti per riempire le posizioni biotecnologiche necessarie per lavori futuri “, ha dichiarato Wallace. “Al momento c’è un grande divario e ci vorranno molti anni per riprenderci, quindi dobbiamo coinvolgere i bambini nei primi anni di scuola, fino all’università”.
Gordon Wallace ad ACES con BioPen
“Oggi posso dire che ciò che è realmente cambiato negli ultimi cinque o dieci anni di bioprinting è la convergenza delle scoperte nella scienza dei materiali, con i progressi nella fabbricazione, in particolare la stampa 3D che ha davvero accelerato il ritmo. Abbiamo visto più progressi negli ultimi cinque anni rispetto a 15 anni prima, e penso che vedremo progressi incredibili nel prossimo decennio man mano che la convergenza matura e, in particolare, mentre i team clinici di tutto il mondo realizzano quali sono le possibilità ora in collaborazione con i gruppi scientifici e di ingegneria appropriati. Sono sicuro che molte nuove sfide specifiche verranno poste in primo piano e che saremo in grado di affrontarle grazie a questa convergenza “, ha concluso.
