Innesti cutanei bioingegnerizzati che si adattano come un guanto
Se hai mai provato a incartare un regalo dalla forma strana come un orsacchiotto, puoi apprezzare la sfida che i chirurghi affrontano quando innestano la pelle artificiale su una parte del corpo ferita. Come la carta da regalo, la pelle ingegnerizzata si presenta in pezzi piatti, che possono essere difficili e richiedere molto tempo per cucire insieme attorno a una parte del corpo di forma irregolare.
I bioingegneri della Columbia University sembrano aver risolto questo problema escogitando un modo per far crescere la pelle ingegnerizzata in forme tridimensionali complesse, rendendo possibile, ad esempio, la costruzione di un “guanto” senza cuciture di cellule della pelle che può essere facilmente infilato su un mano gravemente ustionata.
I ricercatori hanno riportato le loro scoperte in un articolo pubblicato il 27 gennaio su Science Advances
“I costrutti cutanei tridimensionali che possono essere trapiantati come ‘indumenti biologici’ avrebbero molti vantaggi”, afferma lo sviluppatore principale Hasan Erbil Abaci, PhD , assistente professore di dermatologia presso il Vagelos College of Physicians and Surgeons della Columbia University. “Ridurrebbero drasticamente la necessità di sutura, ridurrebbero la durata degli interventi chirurgici e migliorerebbero i risultati estetici”.
L’attuale studio ha anche rivelato che gli innesti 3D continui hanno proprietà meccaniche e funzionali migliori rispetto agli innesti convenzionali e assemblati.
Impalcatura 3D
Il processo di creazione dei nuovi innesti cutanei inizia con una scansione laser 3D della struttura bersaglio, come una mano umana. Successivamente, viene realizzato un modello cavo e permeabile della mano utilizzando la progettazione assistita da computer e la stampa 3D. L’esterno del modello viene quindi seminato con fibroblasti cutanei, che generano il tessuto connettivo della pelle, e il collagene (una proteina strutturale). Infine, l’esterno della muffa è rivestito con una miscela di cheratinociti (cellule che costituiscono la maggior parte dello strato esterno della pelle, o epidermide) e l’interno è perfuso con mezzi di crescita, che supportano e nutrono l’innesto in via di sviluppo.
Fatta eccezione per l’impalcatura 3D, i ricercatori hanno utilizzato le stesse procedure utilizzate per realizzare la pelle ingegnerizzata piatta e l’intero processo ha richiesto lo stesso tempo, circa tre settimane.
In un primo test della pelle ingegnerizzata 3D, i costrutti composti da cellule della pelle umana sono stati innestati con successo sugli arti posteriori dei topi. “È stato come mettere un paio di pantaloncini sui topi”, dice Abaci, “l’intero intervento è durato circa 10 minuti”. Quattro settimane dopo, gli innesti si erano completamente integrati con la pelle di topo circostante e i topi hanno riacquistato le piene funzioni dell’arto.
La pelle del topo guarisce in modo diverso rispetto alla pelle umana, quindi i ricercatori hanno in programma di testare gli innesti su animali più grandi con una biologia della pelle che corrisponde più da vicino a quella degli umani. Gli studi clinici sugli esseri umani sono probabilmente lontani anni.
Riprogettazione della pelle ingegnerizzata
Gli innesti 3D sono la prima grande riprogettazione degli innesti cutanei ingegnerizzati da quando sono stati introdotti per la prima volta nei primi anni ’80. “La pelle ingegnerizzata è iniziata con solo due tipi di cellule, ma la pelle umana ha circa 50 tipi di cellule. La maggior parte delle ricerche si era concentrata sull’imitazione dei componenti cellulari della pelle umana”, afferma Abaci. “Come bioingegnere, mi ha sempre infastidito il fatto che la geometria della pelle sia stata trascurata e che gli innesti siano stati realizzati con confini aperti, o bordi. Sappiamo dalla bioingegneria di altri organi che la geometria è un fattore importante che influisce sulla funzione».
Abaci e il suo team si sono resi conto che avrebbero potuto realizzare innesti più realistici quando le stampanti 3D sarebbero diventate disponibili e avrebbero potuto creare impalcature tridimensionali necessarie per realizzare la pelle ingegnerizzata.
“Abbiamo ipotizzato che una forma 3D completamente chiusa avrebbe imitato più da vicino la nostra pelle naturale e sarebbe stata più forte meccanicamente, ed è quello che abbiamo scoperto”, dice Abaci. “Rimanere semplicemente fedeli alla geometria continua della pelle umana migliora significativamente la composizione, la struttura e la forza dell’innesto”.
In futuro, Abaci prevede che gli innesti potrebbero essere realizzati su misura dalle cellule di un paziente. Con solo un campione di pelle di 4X4 mm, è possibile coltivare e moltiplicare un numero sufficiente di cellule per creare una pelle sufficiente a ricoprire una mano umana.
“Un altro uso convincente sarebbero i trapianti di faccia, in cui la nostra pelle indossabile verrebbe integrata con i tessuti sottostanti come cartilagine, muscoli e ossa, offrendo ai pazienti un’alternativa personalizzata ai trapianti da cadavere”, afferma Abaci.
Lo studio è intitolato ” Ingegneria della pelle umana senza bordi con proprietà biomeccaniche migliorate “.
Gli altri collaboratori (tutti alla Columbia University): Alberto Pappalardo, David Alvarez Cespedes, Shuyang Fang, Abigail R. Herschman, Eun Young Jeon, Kristin M. Myers e Jeffrey W. Kysar.
La ricerca è stata finanziata da una sovvenzione del National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases (5K01AR072131) e dell’epiCURE Center presso il Columbia University Irving Medical Center (5P30AR069632).
Il Dr. Abaci ha una domanda di brevetto in corso su questa tecnologia. Tutti gli altri autori dichiarano di non avere interessi concorrenti.
