SWIFT: Uzel e Skylar-Scott stanno aprendo la strada per il futuro del bioprinting
Qualche settimana fa Mark Skylar-Scott e Sébastien Uzel, ricercatori che lavorano nel Jennifer Lewis ‘Lab presso il Wyss Institute for Biologically Inspired Institute di Harvard e John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), hanno scoperto una nuova svolta tecnica che un giorno potrebbe fornire tessuti di organi per uso terapeutico. Il metodo, chiamato SWIFT (scrittura sacrificale nel tessuto funzionale), consente alla stampa 3D di concentrarsi sulla creazione dei vasi necessari per supportare un costrutto di tessuto vivente.
Tutti gli organi hanno bisogno di vasi sanguigni per fornire nutrienti alle loro cellule, ma la maggior parte degli organoidi coltivati in laboratorio mancano di una vascolarizzazione di supporto. È qui che entra in gioco il metodo SWIFT, che stampa in 3D canali vascolari nei tessuti viventi. Due settimane fa, siamo entrati in alcuni dei principali dettagli della ricerca , ma ora siamo andati direttamente alla fonte e abbiamo parlato con due dei co-primi autori dell’articolo che è uscito il 6 settembre in Science Advances , comprendere il processo alla base del metodo, nonché il lavoro collaborativo che modella il futuro delle aspirazioni di bioingegneria di Harvard .
“Ispirato dalle tecniche di bioprinting 3D emerse dal laboratorio di Lewis e dalla comunità in generale, Mark [ Skylar-Scott] e io abbiamo deciso che era tempo di affrontare, frontalmente, la sfida della funzione e della densità cellulare e il volume dei tessuti, che ci impedivano di raggiungere la produzione di organi su scala terapeutica “, ha rivelato Uzel. “L’uso di organoidi derivati dal paziente o sferoidi di cellule 3D, in quanto i nostri elementi costitutivi sembravano una scelta naturale. Sono densi a livello cellulare e mostrano grandi somiglianze funzionali e architettoniche con gli organi che dovrebbero imitare. “
Una rete ramificata di canali di “inchiostro” rosso a base di gelatina viene stampata in 3D in un costrutto di tessuto cardiaco vivente composto da milioni di cellule (gialle) che utilizzano un ugello sottile per imitare la vascolarizzazione degli organi.
Uzel ha continuato spiegando che “l’idea di questo processo di stampa SWIFT ha preso forma quando abbiamo ipotizzato che una volta inceppati in una fanghiglia densa, quegli organoidi si sarebbero comportati come previsto dalla scienza delle sospensioni colloidi e quindi potrebbero servire da matrice vivente per la forma libera che modella i vasi perfusibili. Il resto è stato molti mesi di test e ottimizzazione! ”
Sia i ricercatori che i loro colleghi hanno trovato un modo per raggruppare le cellule viventi abbastanza strettamente da replicare la densità del corpo umano. In realtà hanno assemblato centinaia di migliaia di blocchi di organo (OBB) composti da organoidi derivati da cellule staminali pluripotenti indotte dal paziente, che offrono un percorso per raggiungere i tessuti con la densità cellulare, la microarchitettura e la funzione richieste. Allo stesso tempo, hanno introdotto tunnel vascolari tramite bioprinting 3D incorporato tra gli OBB per imitare i vasi sanguigni necessari per fornire fluidi, come nutrienti e ossigeno, che sono vitali per la sopravvivenza.
Ad esempio, il gruppo di ricercatori ha creato un tessuto cardiaco perfusibile che si fonde e batte in modo sincrono per un periodo di sette giorni. Il metodo di biomantificazione SWIFT consente il rapido assemblaggio di tessuti perfetti per pazienti e organi specifici su scala terapeutica. Ciò che è così romanzo sul nuovo tessuto cardiaco cresciuto in laboratorio è che batte, proprio come un normale cuore umano, e ha una rete incorporata di vasi sanguigni che sarebbe necessaria per sopravvivere se fosse mai trapiantato in un paziente . Deve ancora essere testato prima di poter essere utilizzato nell’uomo e i loro canali non sono ancora veramente vasi sanguigni, ma se l’innovazione funziona per il tessuto cardiaco, gli esperti prevedono che SWIFT
potrebbe essere utilizzato anche per altri organi.
I corpi embrionali viventi circondano un canale vascolare cavo stampato con il metodo SWIFT.
“Riteniamo che questa nuova tecnica risolva i blocchi tecnici della densità cellulare e della scalabilità della produzione. Dal punto di vista della biologia, rendere ogni blocco funzionale più funzionale e performante, il che significa essere in grado di contrarsi più forte nel contesto dei tessuti cardiaci, ad esempio, è tra le sfide che devono essere superate e richiederà di ottenere ulteriori approfondimenti nella differenziazione cellulare pluripotente e come può essere ricapitolato in vitro. Dovremo anche emulare meglio la complessità multicellulare e gerarchica dei vasi presenti nel corpo umano “, ha proposto Uzel.
I ricercatori ritengono che dal lato della produzione del processo, il costo dei reagenti per aumentare la coltura e la differenziazione delle cellule dovrà essere drasticamente ridotto affinché la produzione di organi de novo sia un’opzione praticabile nel lungo periodo.
Quando si tratta di considerare SWIFT come uno dei principali progressi negli ultimi anni verso gli organi di bioprinting, Skylar-Scott afferma che ” sarebbe presuntuoso dire che SWIFT è uscito dal vuoto”.
“In questo decennio ci sono state molte grandi opere che hanno applicato la stampa 3D per generare tessuti perfusibili e il nostro lavoro si basa su questi sforzi. Ciò che ci rende davvero entusiasti di SWIFT è il modo in cui abbiamo portato in vita la matrice per la stampa integrata e, utilizzando gli organoidi, speriamo che SWIFT possa servire da ponte tra l’autoassemblaggio dal basso verso l’alto della biologia dello sviluppo, e il montaggio diretto dall’alto verso il basso della stampa 3D “, ha affermato Skylar-Scott. “Possiamo affermare, con ragionevole certezza, che qualsiasi ingegneria di successo di un organo complesso da zero richiederà una combinazione di questi due approcci.”
“I recenti progressi nel campo della bioprinting ci hanno avvicinato molto all’eventualità di organi stampati in 3D. Il campo si sta muovendo più velocemente del previsto. Solo cinque anni fa, avevamo paura di usare “la grande parola O” [organi], ma ora, come campo, stiamo cominciando a vedere provvisoriamente un percorso “, ha continuato.
SWIFT è uno dei progetti di Harvard che alla fine potrebbe essere utilizzato terapeuticamente per riparare e sostituire gli organi umani con versioni sviluppate in laboratorio contenenti le cellule dei pazienti. In realtà ci sono così tante ricerche su Wyss e SEAS, dal ridimensionamento dell’ingegneria dei tessuti all’ingegneria dei reni in miniatura, è persino uno dei primi posti in cui i ricercatori hanno interamente stampato in 3D un organo su un chip con rilevamento integrato. Inoltre, la creazione di tessuti e organoidi biologici multicellulari altamente organizzati è strutturalmente diversificata e complessa, quindi le tecniche di fabbricazione dei tessuti richiedono estrema precisione, facendoci domandare che tipo di bioprinter i ricercatori stanno utilizzando. Secondo Skylar-Scott, “usano esclusivamente stampanti ed estrusori su misura” in laboratorio, che “ai fini della strana sperimentazione, offrono di gran lunga la massima versatilità.
Nell’ambito dell’evoluzione del progetto SWIFT, sono in corso collaborazioni con i membri della facoltà del Wyss Institute Christopher Chen, professore di ingegneria biomedica e direttore del Tissue Microfabrication Laboratory presso l’Università di Boston e Sangeeta Bhatia, professore presso l’Institute for Medical Engineering & Science (IMES) del MIT e Ingegneria elettrica e informatica (EECS), per impiantare questi tessuti specifici per organo creati da SWIFT in modelli animali ed esplorare la loro integrazione ospite, nell’ambito della 3D Organ Engineering Initiative , co-guidata dal pioniere della stampa 3D e dal membro principale della facoltà di Wyss, Jennifer Lewis e Chen.
“Attualmente stiamo lavorando su modelli di roditori per la nostra fase iniziale in vivo. Oltre a perfezionare la nostra tecnica e migliorare le prestazioni dei tessuti stampati, stiamo studiando in che modo piccoli costrutti cardiaci con stampa SWIFT vascolarizzata si integrano all’interno dell’animale e si collegano al flusso sanguigno esistente. Una volta sicuri che i tessuti SWIFT si comportino in modo appropriato nei piccoli animali, la speranza è quella di passare a pezzi più grandi di tessuto per essere testati su animali più grandi, in preparazione per i test sugli umani a lungo termine ”, ha rivelato Uzel.
Il lavoro collaborativo per trasformare SWIFT in realtà è un ottimo esempio di integrazione di varie discipline e professionisti in progetti di bioprinting.
“Un processo come SWIFT unisce varie competenze, dalla biologia dello sviluppo alla scienza dei materiali o all’ingegneria meccanica. Il punto di forza del laboratorio è che è costruito attorno a grandi talenti in tutte quelle discipline. Il laboratorio Lewis si divide approssimativamente in lavori di bioprinting e non bioprinting, ma i due gruppi condividono tecnologie, tecniche e inchiostri da stampa molto frequentemente “, ha affermato Scott.
I tessuti creati senza canali stampati SWIFT mostrano la morte cellulare (rossa) nei loro nuclei dopo 12 ore di coltura (a sinistra), mentre i tessuti con canali (a destra) hanno cellule sane.
Ha continuato spiegando che “è improbabile che la stampa 3D sia in grado di stampare tutte le scale di lunghezza di un organo – dai ventricoli su scala centimetrica ai capillari su scala micrometrica. Quindi, abbiamo progettato in modo specifico il processo SWIFT in modo che possa funzionare con gli “organoidi” creati dalle cellule staminali e dalle comunità di biologia dello sviluppo. Collegando i campi di stampa 3D e organoidi, riteniamo che ci sia un grande potenziale di collaborazione e abbiamo già sentito parlare di ricercatori interessati a utilizzare SWIFT per testare il ridimensionamento dei loro sistemi organoidi. Questo interesse è venuto da tutti i tipi di specialisti in diversi organi, inclusi reni, fegato, cuore e cervello. “
Con così tante cose in corso, una giornata tipo in laboratorio per Uzel e Skylar-Scott non è così tipica. Sebbene la maggior parte delle attività quotidiane implichi una combinazione di coltura cellulare, formulazione e caratterizzazione dell’inchiostro da stampa, progettazione CAD e fabbricazione di sistemi di stampa e perfusione, manutenzione dei tessuti, imaging e analisi. Nelle ore di punta, Skylar-Scott afferma che potrebbero avere fino a quattro ore di lavoro al giorno solo per mantenere le cellule alimentate, il che ha portato a molte lunghe notti e fine settimana in laboratorio.
Simile alla maggior parte dei laboratori accademici, i dottorandi e i postdoc hanno tutti due o tre progetti in esecuzione in parallelo. “Per SWIFT, abbiamo dovuto coltivare così tante celle per una singola stampa, che ne eseguivamo solo una alla settimana. Dato che fissare le cellule non le fa crescere più velocemente, è spesso utile avere un secondo progetto su cui concentrarsi ”, scherza Skylar-Scott. Ad esempio, stanno attualmente lavorando su una nuova tecnologia hardware per stampanti 3D e si concentrano sul test dei tessuti stampati SWIFT in vivo, in modo che possano iniziare a testare funzioni aggiuntive. Tutto in una giornata di lavoro.