Il bioprinting di tessuti umani utilizzando stampanti 3D specializzate promette di trasformare la medicina, con implicazioni per i trapianti di organi, il trattamento del cancro e lo sviluppo di antibiotici.
Luke Massella è una delle circa 10 persone vive che vanno in giro con una vescica sostitutiva che è stata coltivata dalle sue stesse cellule.
È nato con una condizione chiamata spina bifida, che, dalla nascita, ha lasciato un vuoto nella sua spina dorsale.
A 10 anni, era sopravvissuto a una dozzina di interventi chirurgici e ha battuto le aspettative iniziali dei medici che non avrebbe mai camminato. Ma poi una vescica malfunzionante ha fatto fallire i suoi reni.
“Stavo affrontando la possibilità di dover fare la dialisi per il resto della mia vita”, dice. “Non sarei stato in grado di fare sport, e avere la normale vita da bambino con mio fratello.”
Un chirurgo intraprendente, Anthony Atala al Boston Children’s Hospital, ha preso un piccolo pezzo della vescica di Luke, e in due mesi ne ha fatta crescere una nuova in laboratorio.
Poi in un intervento chirurgico di 14 ore ha sostituito la vescica difettosa con quella nuova.
“Quindi è stato praticamente come ottenere un trapianto di vescica, ma dalle mie stesse cellule, quindi non devi affrontare il rigetto”, dice Luke.
Il rigetto è quando il sistema immunitario del corpo attacca le cellule trapiantate che provengono da un altro organismo. L’uso di tessuto coltivato dalle cellule del paziente stesso aiuta a combattere questo effetto.
Luke ha continuato a fare l’allenatore di wrestling nelle scuole pubbliche del Connecticut e ora, a 27 anni, gestisce eventi nel settore della gioielleria.
“Praticamente sono stato in grado di vivere una vita normale dopo”, dice.
Ha subito 17 interventi chirurgici prima dei 13 anni, ma da allora non ha più dovuto farlo.
Il lavoro del dottor Atala coinvolge il bioprinting, utilizzando macchine a getto d’inchiostro 3D modificate per produrre tessuto biologico.
Il suo team ha sviluppato “otto tessuti basati su cellule che mettiamo nei pazienti”, dice, tra cui pelle ingegnerizzata, uretra e cartilagine, tutti coltivati in laboratorio.
Questi organi ingegnerizzati stanno attraversando prove cliniche per l’approvazione da parte della US Food and Drug Administration.
“Bisogna sapere come fare questi organi a mano, poi la bioprinter è davvero uno strumento di scale-up”, dice il dottor Atala, direttore del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine in North Carolina.
In altre parole, la bioprinting permetterebbe di fare questi organi in un modo economico, coerente e costruito con precisione, crede.
“Strutture piatte come la pelle” sono più facili da stampare, dice. Poi “strutture tubolari come vasi sanguigni e uretre” sono un po’ più complesse, con “organi cavi non tubolari come le vesciche” ancora più difficili.
Ma i più difficili sono “organi solidi come cuori, polmoni e reni”, con “così tante cellule per centimetro”.
Per questi organi altamente complessi i bioprinters forniscono una precisione che supera le mani umane, dice.
Potenziale pluripotente
La biostampa è decollata in seguito a una drammatica scoperta di Shinya Yamanaka e Sir John Gurdon, che hanno ricevuto il premio Nobel per il loro lavoro nel 2012.
Le cellule ordinarie adulte possono ora essere riprogrammate per creare cellule staminali – chiamate cellule staminali pluripotenti indotte – che possono essere utilizzate per creare qualsiasi altra cellula del corpo.
“Molto è successo negli ultimi due anni”, dice Steven Morris, amministratore delegato della start-up di bioprinting Biolife4d.
Il signor Morris sta lavorando per bioprintare un cuore usando queste cellule pluripotenti nel prossimo anno. Questo sarà inizialmente una versione più piccola dell’organo, spiega, ma potrebbe alla fine aiutare le aziende farmaceutiche a bypassare la sperimentazione di farmaci su animali, dice.
E alla fine, bioprinting organi da cellule proprie delle persone risolverà la “enorme mancanza di offerta” di organi per il trapianto, dice il signor Morris, e fare a meno della necessità di farmaci immunosoppressori anti-rigetto.
Le stampanti specializzate potrebbero anche riprodurre i tumori del cancro, dando ai medici la possibilità di testare “quale trattamento potrebbe funzionare specificamente su quel paziente”, dice Erik Gatenholm, amministratore delegato della start-up svedese Cellink.
La sua azienda ha ricevuto un finanziamento di 2 milioni di euro.5 milioni di euro (2,9 milioni di dollari; 2,2 milioni di sterline) dall’Unione europea per sviluppare queste stampanti per la modellazione dei tumori.
Le biostampanti ci danno anche un modo di “stendere rapidamente piccole quantità di liquido per testare se un nuovo antibiotico funzionerebbe per quel paziente specifico”, dice Annette Friskopp, vice presidente per i sistemi di stampa speciali presso la grande azienda tecnologica HP a Palo Alto.
Questo potrebbe aiutare ad affrontare il crescente e grave problema della resistenza antimicrobica – l’aumento di “superbatteri” che gli antibiotici tradizionali non possono uccidere.
HP sta collaborando con il Centro americano per il controllo delle malattie per distribuire le stampanti in quattro laboratori regionali negli Stati Uniti questo autunno.
Inchiostri e impalcature
Le stampanti di qualsiasi tipo hanno bisogno di inchiostro, e le biostampanti non sono diverse. Il “bioink” è un gel che può essere estruso attraverso un ugello di stampa e imita la sospensione che si trova tra le cellule, chiamata matrice extracellulare.
Sia i laboratori universitari che le start-up, come Cellink, hanno sviluppato bioink che possono essere utilizzati con molti tipi di cellule, dice Ahu Arslan Yildiz, un biochimico che dirige un gruppo di ricerca all’Istituto di Tecnologia di Izmir nella Turchia occidentale.
E questi bioinks “universali” stanno diventando sempre più “processabili e facili da gestire”, dice la signora Yildiz, pur non essendo tossici.
Un’altra svolta in questo campo in rapido sviluppo viene dal Giappone.
La maggior parte della biostampa usa un’impalcatura per tenere le cellule in posizione. E una volta che le cellule sono “costrette a un certo livello, cominciano ad auto-organizzarsi e ad assemblarsi”, dice Arnold Kriegstein, direttore del centro di cellule staminali e medicina rigenerativa presso l’Università della California, San Francisco.
L’impalcatura può quindi essere rimossa.
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Ma Koichi Nakayama, all’Università Saga nel sud del Giappone, ha sviluppato un modo per creare tessuto 3D senza impalcature.
Invece, lancia piccole sfere su una serie di aghi sottili, chiamati kenzan.
Il dottor Nakayama, medico e presidente del dipartimento di medicina rigenerativa e ingegneria biomedica dell’università, sta ora “preparando la prima sperimentazione umana nella nostra università” per impiantare tubi da dialisi “appena fatti dalle cellule della pelle di un paziente”.
Così la bioprinting sta facendo passi da gigante e promette di dare a molti di noi una nuova prospettiva di vita.
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