I ricercatori universitari reinventano i metodi standard di bioprinting
I ricercatori hanno collaborato tra la School of Medicine e la School of Engineering and Applied Science dell’Università per sviluppare un nuovo metodo di biostampa 3D noto come DASP – Digital Assembly of Spherical Viscoelastic Bio-Ink Particles. DASP offrirà una maggiore versatilità strutturale e imita meglio le condizioni naturali del corpo rispetto alle attuali tecniche di bioprinting: il gruppo sta attualmente lavorando insieme per applicare DASP ai meccanismi di trapianto di diabete di tipo 1.
DASP offre modifiche vantaggiose anche per una varietà di altre applicazioni biosintetiche. Attraverso il bioprinting 3D, una tecnica versatile di ingegneria dei tessuti, i ricercatori possono creare cellule, molecole importanti e tessuti artificiali che ricordano da vicino i tessuti e gli organi umani. Le applicazioni spaziano dallo studio dell’efficacia dei farmaci alla modellazione medica fino ai trapianti di organi.
Liheng Cai, assistente professore di ingegneria biomedica, guida il team.
“Quando si pensa alla biostampa 3D, offre un ottimo controllo sulla creazione di architetture complesse, che imitano la geometria e le funzioni biologiche di tessuti e organi”, ha affermato Cai. “Questa è davvero la speranza – e anche la promessa – che la biostampa 3D pone”.
Tuttavia, le tecniche standard di bioprinting presentano limitazioni funzionali. La biostampa attualmente mescola idrogel e cellule per produrre filamenti di bio-inchiostro. Gli idrogel sono reti 3D di polimeri idrofili che possono gonfiarsi in acqua e contemporaneamente trattenere sia l’acqua che la loro struttura. I filamenti sono impilati strato dopo strato per costruire strutture 3D, che non imitano molto accuratamente l’ambiente naturale del corpo e hanno più restrizioni strutturali.
“Si [costruisci] strato dopo strato per creare una struttura 3D… ma questo non riproduce realmente ciò che fa la natura”, ha detto Cai. “Nei veri tessuti biologici, ogni cellula è circondata da molti altri tipi cellulari e anche da molte altre proteine”.
Mentre valutavano come rimediare a questo problema ed espandere le capacità della biostampa, gli ingegneri hanno tratto ispirazione dal videogioco Minecraft. Minecraft utilizza i voxel, che sono piccoli cubi per costruire oggetti in un universo creato dal giocatore.
“Lì dentro, usando quel tipo di voxel, è come creare piccoli cubi di diversi colori e sapori per creare vari tipi di cartoni animati di oggetti uniformi”, ha detto Cai.
Mentre i giocatori di videogiochi possono creare diversi personaggi e oggetti da questi voxel digitali, gli ingegneri hanno considerato come creare strutture e tessuti cellulari da voxel biosintetici. Poiché i giocatori possono costruire edifici, personaggi e altri oggetti da voxel singolari di molti materiali diversi, come arenaria rossa e diorite levigata, l’applicazione di questo concetto alla creazione di materiali biosintetici da singole goccioline risolve questi limiti funzionali.
“Questo è davvero il nostro obiettivo a lungo termine: creare un voxel biologico per assemblare quei voxel in imitazioni di tessuti 3D”, ha detto Cai.
Il team ha incontrato due sfide principali nello sviluppo di un voxel biosintetico. I materiali biologici utilizzati per creare i voxel sono molto viscosi, il che rende difficile staccare l’ugello della stampante da queste goccioline, il che influisce sulla precisione della loro forma e posizionamento. La seconda sfida è stata trovare un modo per fissare queste goccioline in uno spazio prima di assemblare le goccioline insieme.
Secondo Jinchang Zhu, autore principale e dottorando nel laboratorio di Cai, richiede grande precisione.
“La stampa 3D consiste nel mettere la cella giusta nel posto giusto”, ha affermato Zhu.
Per aggirare la prima sfida, il team ha progettato un processo reversibile in cui l’ugello della stampante 3D rilascia singole goccioline in una matrice di supporto, anziché nell’aria, in modo che l’ugello possa essere staccato più facilmente e le goccioline possano essere posizionate con precisione. Nel suo ambiente idrosolubile, queste goccioline – o voxel – si gonfiano e si fondono parzialmente insieme dopo essere state poste nella matrice di supporto, formando una struttura completa composta da goccioline distinte.
“Allora pensa a un orsetto gommoso, giusto?” ha detto Cai. “Se lanci un orsetto gommoso in acqua, l’orso gommoso si gonfierà.”
Allo stesso modo, il rigonfiamento crea una struttura 3D fatta di voxel distinti che sono molto più piccoli dei filamenti e quindi offrono una maggiore versatilità strutturale. Inoltre, imitano meglio i tessuti biologici reali composti da singole cellule distinte, piuttosto che da strati di filamenti.
Il team, in collaborazione con il dottorando Yi He, ha trovato un’applicazione specifica per DASP in collaborazione con Assoc. Il Prof. Yong Wang della School of Medicine e Jose Oberholze, professore di chirurgia e ingegneria biomedica e direttore del Charles O. Strickler Transplant Center, che stanno lavorando per migliorare i trapianti di diabete di tipo 1. Il diabete di tipo 1 è una condizione cronica che affligge il 9,5% della popolazione mondiale in cui il sistema immunitario percepisce erroneamente le cellule beta delle isole come invasori estranei e le distrugge .
Queste cellule, situate nel pancreas, sono responsabili della produzione di insulina, necessaria al corpo per assumere zucchero e produrre energia. I pazienti devono assumere insulina per compensare questa carenza, ma il trapianto delle cellule colpite è un modo comune per consentire ai pazienti di compensare le loro cellule danneggiate.
I nuovi trapianti di isole non sono del tutto resilienti. Convenzionalmente, milioni di singole cellule vengono incapsulate in microcapsule e trapiantate, diffondendosi e aggregandosi nel tempo fino a quando le cellule non sono più in grado di percepire correttamente il glucosio. È anche difficile recuperare questi trapianti una volta che iniziano a fallire o se si verifica qualcosa di inaspettato.
“Per qualsiasi dispositivo che metti in un corpo umano … vuoi sempre recuperarlo quando vuoi, nel caso in cui qualcosa di brutto [accada]”, ha detto Zhu. “Tuttavia, poiché queste goccioline sono davvero minuscole e individuali, sono … praticamente ovunque. È quasi [impossibile] riprenderli”.
Il DASP potrebbe potenzialmente risolvere questi problemi stampando queste singole cellule direttamente in una struttura 3D per il trapianto, piuttosto che trapiantando singole cellule che possono viaggiare, affondare e aggregarsi insieme, come ha affermato Wang.
“Se [tu] definisci la struttura 3D, forse possono percepire il glucosio molto meglio e molto più favorevolmente”, ha detto Wang.
L’impalcatura di DASP è attualmente progettata per essere una struttura temporanea con l’obiettivo di addestrare le cellule a formare la struttura dei tessuti. Tuttavia, i trapianti di isole richiederebbero un supporto strutturale, quindi la matrice di supporto deve essere rafforzata per rimanere a lungo nel corpo di un paziente diabetico per offrire cellule funzionali. Attualmente, la tecnica DASP è in fase di sperimentazione sui topi ei ricercatori continueranno a osservare gli effetti dei trapianti. In caso di successo, i ricercatori procederanno con i test clinici su primati non umani.
Poiché DASP generalmente offre maggiore flessibilità e precisione strutturali nel suo nuovo approccio, i ricercatori si aspettano che possano avere altre applicazioni. Ad esempio, DASP può essere utilizzato per studiare diversi tipi di cellule in diverse goccioline o voxel.
“Puoi monitorare e osservare l’interazione tra questi tre tipi di cellule, come creare un modello di tessuto”, ha detto Zhu. “Questo modello di tessuto può essere davvero utile per alcuni modelli di malattie o screening di farmaci”.
Nel frattempo, il team interdisciplinare continua a lavorare insieme sulla loro specifica nicchia nel bioprinting, adattando la loro tecnica ispirata a Minecraft, DASP, ai trapianti di isole e guardando ai prossimi passi.
“Questo è davvero [il vantaggio] qui”, ha detto Cai. “Possiamo mettere in sinergia la ricerca fondamentale e le culture cliniche in segmenti molto piccoli”.
