Il 3D Bioprinting è il futuro della medicina personalizzata?

Il 3D Bioprinting è diventato uno dei segmenti leader nel settore della stampa 3D in termini di innovazione. Fino a poco tempo fa, il mercato era concentrato principalmente nel Nord America, ma molte aziende, laboratori e università in tutto il mondo stanno esplorando questo campo. Grazie a tecniche simili alla stampa 3D, cellule e materiali biologici possono essere combinati e depositati strato per strato per creare parti biomediche aventi le stesse proprietà dei tessuti naturali. Durante questo processo, vari bio inchiostri possono essere utilizzati per creare queste strutture simili a tessuti che hanno applicazioni in ambito medico e nel campo della tecnologia dei tessuti. Naturalmente, molti sanno che la più grande impresa in questo campo è quella di effettuare la biostampa di un organo umano perfettamente funzionante.

Se da un lato questa tecnologia è considerata il futuro della medicina, dall’altro ancora numerose incognite sono legate a questo processo di stampa. Qui di seguito esploreremo l’argomento e alcuni dei quesiti ricorrenti che le persone pongono sul 3D Bioprinting. Inoltre, esploreremo i vari processi di stampa associati a questa tecnologia.

Crediti immagine: FluidForm

È un fatto risaputo che la richiesta di trapianti continua ad aumentare ogni anno. Poiché ogni anno il numero di persone presenti sulle liste d’attesa è di molto superiore a quello dei donatori e dei trapianti, la soluzione sembra puntare verso il 3D Bioprinting. Anzi, un’importante svolta ha segnato il campo medico lo scorso aprile. Un team di ricercatori dell’Università di Tel-Aviv (TAU) ha stampato un cuore in 3D utilizzando cellule umane. Questo cuore era perfettamente corrispondente alle proprietà immunologiche, cellulari e anatomiche di un paziente umano. Sebbene fosse delle dimensioni del cuore di un coniglio, la sua complessità era una novità assoluta: “In passato sono riusciti a stampare in 3D la struttura di un cuore, ma non con cellule e vasi sanguigni. I nostri risultati dimostrano il potenziale del nostro approccio per la realizzazione di tessuti personalizzati e per la sostituzione di organi in futuro”, ha spiegato il Prof. Tal Dvir che ha condotto la ricerca in questo studio.

Come avrete intuito, le biostampanti 3D possono creare strutture complesse di cellule tramite un processo di stratificazione. La tecnologia è stata sviluppata dagli scienziati nella speranza di creare organi interamente funzionali.

Gli inizi del 3D Bioprinting

Il 3D Bioprinting nasce nel 1988, quando il Dr. Robert J. Klebe dell’Università del Texas presenta la tecnologia di cytoscribing. Si tratta di un metodo di microposizionamento di cellule per costruire tessuti sintetici bi e tridimensionali utilizzando una comune stampante a getto d’inchiostro. Nel 2002, il Professor Anthony Atala della Wake Forest University ha creato il primo organo servendosi della biostampa: un rene in scala ridotta. Per continuare a promuovere ulteriori innovazioni in ambito bioprinting, Organovo – il primo laboratorio commerciale – ha aperto le porte nel 2010 a SanDiego, in California. Il laboratorio ha presto iniziato a lavorare con gli sviluppatori di Invetech per creare una delle prime biostampanti sul mercato, la NovoGen MMX. Organovo si è posizionata tra i leader nel settore e continua a lavorare allo sviluppo di innovazioni a livello di tessuto osseo, come quando ha creato il tessuto per il trapianto epatico. In seguito alla svolta segnata dal team di ricercatori dell’Università di Tel-Aviv, BIOLIFE4D è stata anche in grado di biostampare un cuore umano in miniatura, prima azienda negli Stati Uniti a riuscire nell’impresa. Prevediamo che altre aziende e gruppi di ricerca saranno in grado di raggiungere questi risultati nei prossimi mesi.

Anthony Atala

Una delle principali sfide è rappresentata dal costo elevato dello sviluppo e dalla mancanza di informazioni. Tuttavia, nuove tecniche stanno iniziando a emergere per aumentare le possibilità di successo e sono divise in 5 categorie diverse, che analizzeremo qui di seguito.

Inkjet 3D Bioprinting

Questa tecnologia si basa sul processo di stampa a getto d’inchiostro. Oggi, si stanno modificando le stampanti 3D FDM per ottenere un processo di stampa simile. Questo metodo permette di depositare gocce di bio-inchiostro (anche noto come biomateriali o biotine) strato dopo strato su un supporto di idrogel o una piastra di petri. Questa tecnologia prevede due tipi di metodi, quello termico e quello piezoelettrico, entrambi basati su una forma di biotina.

Con la tecnologia termica, impiega un sistema riscaldante che crea bolle d’aria che collassano e forniscono la pressione necessaria a espellere le gocce di “inchiostro”. La tecnologia piezoelettrica, invece, non impiega il calore per generare la pressione necessaria. Utilizza invece una carica elettrica che si accumula in determinati materiali solidi. In questo caso, una ceramica piezoelettrica policristallina è presente a livello di ciascun ugello. Uno svantaggio di quest’ultima tecnologia è che può causare danni alla membrana cellulare, se utilizzata troppo spesso.

Gli scienziati hanno fatto grandi progressi relativamente ai pattern delle molecole, delle cellule e degli organi con la stampa a getto d’inchiostro. Molecole come quelle del DNA sono state duplicate con successo, rendendo più facile lo studio dei tumori e i potenziali trattamenti. Cellule che aiutano a combattere il cancro al seno sono state stampate con successo utilizzando il bioprinting a getto d’inchiostro; ciò mantenendo le loro funzioni, con buone prospettive per la creazione di tessuti o organi viventi.

Per Organovo, si basano sulla stampa a getto d’inchiostro per creare tessuti umani funzionali. Più specificamente, sono interessati alla riproduzione dei tessuti del fegato umano. Si concentrano su questo per via della lunga lista di attesa per un trapianto di fegato negli Stati Uniti. Ciò che Organovo spera di fare è riparare la parte danneggiata del fegato, garantendo una soluzione che prolunghi la vita dell’organo fino a quando il paziente non sia idoneo per un trapianto. Un’attesa che talvolta può durare diversi anni.

3D Bioprinting a estrusione

Questo metodo è basato sull’uso di un’estrusione per creare modelli 3D e costruzioni cellulari. Utilizzando biomateriali per la stampa, la soluzione viene poi estrusa coordinando il movimento di un pistone a pressione o di un microago su un substrato stazionario. La stampa consiste nello stampare il modello strato dopo strato mettendolo insieme fino a completarlo. I vantaggi che possiamo riscontrare con questa tecnologia comprendono il processo a temperatura ambiente, l’incorporazione cellulare diretta e una distribuzione cellulare omogenea. Alcune delle biostampanti più popolari, come la Bioplotter e la EnvisionTec, impiegano questa tecnica, in quanto è considerata l’evoluzione successiva al processo di biostampa a getto d’inchiostro.

3D bioprinter di Allevi

3D Bioprinting laser-assistito

Questo metodo impiega il laser come fonte di energia per depositare i biomateriali in un recettore. La tecnica consiste di tre parti: una fonte laser, un nastro ricoperto di materiali biologici e un recettore. I fasci laser irradiano il nastro, facendo evaporare i materiali liquidi biologici e facendo sì che raggiungano il recettore sotto forma di goccioline. Queste goccioline contengono un biopolimero che mantiene l’adesione delle cellule e aiuta la cellula a iniziare a crescere. Rispetto ad altre tecnologie additive, il 3D bioprinting laser-assistito presenta vantaggi unici. Alcuni vantaggi specifici includono il fatto di essere un processo senza ugello e contactless, che consente la stampa ad alta risoluzione delle cellule e il controllo delle goccioline di biotina.

Poietis, leader francese nell’ambito del 3D bioprinting, ha lanciato un programma di riproduzione dei capelli in collaborazione con L’Oréal. L’azienda impiega la tecnologia di 3D bioprinting laser-assistito, che consente di depositare con precisione le cellule in un dato ordine. Oggi, l’azienda sta tentando di ricreare un follicolo pilifero che potrebbe dimostrarsi una soluzione efficace per stimolare la crescita dei capelli, una potenziale alternativa per uomini e donne che si trovano ad affrontare la calvizie.

Stereolitografia

Questa tecnologia consiste nel solidificare un fotopolimero utilizzando la luce ultravioletta. Presenta la massima precisione di produzione ed è adatta per la biostampa in quanto stampa con idrogel fotosensibili. La tecnologia è ancora attualmente in via di sviluppo poiché ci sono ancora numerosi limiti, come la mancanza di biocompatibilità e biodegradabilità dei polimeri, effetti avversi e impossibilità di rimozione dei supporti.

3D Bioprinting a onde sonore

Sviluppata da Carnegie Mellon University, Pennsylvania State University e MIT, questa tecnologia impiega un dispositivo microfluidico che permette di manipolare cellule o particelle utilizzando onde sonore superficiali. Utilizzando questo dispositivo i ricercatori sono in grado di manipolare il punto in cui le onde si incontreranno lungo ciascuno dei tre assi. A livello di questi punti d’incontro, le onde formeranno un nodo di intrappolamento 3D che cattura le singole cellule. Queste cellule vengono raccolte per creare schemi 2D e in seguito 3D. Una tecnica complessiva che offre prestazioni elevate in termini di precisione di movimento.

Nel tempo si sono registrati sempre più sviluppi associati a questa tecnologia, con l’esordio piuttosto rapido di nuove applicazioni o tecniche. Un esempio di questo è la Northwest University in Illinois, con il loro ovaio stampato in 3D o la Svezia, dove i ricercatori sono riusciti a stampare in 3D tessuto cartilagineo umano. Se da un lato questi avanzamenti in nome della medicina hanno portato a emozionanti discorsi e speculazioni sul futuro, c’è un altro aspetto che deve ancora essere valutato, ed è quello delle implicazioni etiche che potremmo dover affrontare in relazione a questa tecnologia.

La tecnica SWIFT

I ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering di Harvard hanno sviluppato una nuova tecnica di biostampa denominata SWIFT (Sacrificial Writing Into Functional Tissue): come suggerisce il nome, questa tecnica permette la biostampa di vasi sanguigni su tessuti viventi. In altre parole, stampa in 3D canali vascolari in matrici viventi composte da building block organici (OBB) derivanti da cellule staminali.

Anziché tentare di stampare in 3D le cellule di un intero organo, SWIFT si concentra sulla semplice stampa dei vasi sanguigni necessari a supportare un costrutto di tessuto vivente che contiene grandi quantità di OBB, cosa che potrebbe essere usata terapeuticamente per riparare e sostituire gli organi umani con versioni cresciute in laboratorio e contenenti le cellule del paziente stesso. In un esperimento, tessuti organo-specifici stampati con canali vascolari embedded con SWIFT sono rimasti in vita, mentre tessuti fatti crescere senza questi canali hanno sperimentato la morte cellulare nel giro di 12 ore.

Tessuti organo-specifici stampati con canali vascolari SWIFT sono rimasti vitali (destra) mentre tessuti fatti crescere senza questi canali hanno sperimentato la morte cellulare nel giro di 12 ore (sinistra).

Il futuro del 3D Bioprinting

Le tecniche di biomedicina cercano di sviluppare una medicina personalizzata in cui i dottori siano in grado di personalizzare i trattamenti in base alle esigenze specifiche di ciascun paziente. Una delle principali preoccupazioni del settore sono i costi associati a tale personalizzazione e chi potrà essere in grado di avervi accesso.

Un’altra difficoltà dal punto di vista etico è che è impossibile, ad oggi, testare l’efficacia e la sicurezza di questi trattamenti. Dopo aver analizzato le diverse tecniche impiegate, sappiamo che è possibile sviluppare organi funzionali in grado di sostituire organi umani, ma non è ancora possibile valutare se il corpo del paziente accetterà o meno il nuovo tessuto o l’organo artificiale. Non solo: occorre considerare le norme che devono essere predisposte dal punto di vista legale prima che questi avanzamenti siano resi disponibili al grande pubblico.

Per non parlare del fatto che le nuove tecnologie possono sempre essere utilizzate in maniera impropria e il 3D bioprinting non fa eccezione. Se le tecnologie sono in grado di creare organi o tessuti adattabili in base alle specifiche esigenze di un essere umano, bisogna considerare le possibili conseguenze negative di questa medicina personalizzata. In particolare, possiamo pensare alla potenziale creazione di nuove capacità sovrumane, come ossa resilienti o polmoni che si ossigenano in maniera diversa. Un futuro attraente per alcune persone in tutto il mondo, un futuro ancora più attraente per determinati settori, come quello militare.

Immagine: CELLINK

Si direbbe che questa tecnologia abbia ancora molta strada da fare perché la biostampa di parti del corpo possa essere il prossimo passo nell’ambito del trapianto d’organi. Di certo, numerosi progetti di ricerca hanno avuto luogo presso varie università in tutto il mondo (Stati Uniti, Europa, Asia) per lo studio della stampa  3D di ossa, cornee, cartilagine, cuore e pelle. Solo questione di tempo?

I due creatori della cornea stampata in 3D | Foto di Newcastle University

Grand View Research, un’importante società di ricerche di mercato con sede a San Francisco, ha rivelato che si prevede che il mercato globale del Bioprinting raggiunga i 4,1 miliardi di dollari entro il 2026, facendo segnare un CAGR del 19,5%. Si stima che i protagonisti principali continuino a crescere n Nord America, con gli Stati Uniti al primo posto, seguiti dal Canda. Numerosi Paesi europei stanno a loro volta apportando sviluppi alla biostampa con il Regno Unito attualmente in testa.

Oggi ci si aspetta che anche il segmento dei materiali cresca, grazie ad altre tecnologie come l’AI, gli scienziati possono stabilire facilmente la giusta combinazione di biomateriali, per trasformare gli scaffold in tessuti. Si prevede che le aziende di biostampa si concentrino sullo sviluppo di ulteriori biomateriali, oltre a sistemi di Bioprinting con più teste di stampa, per supportare l’uso di più bioinchiostri nella stessa stampa. Ci si aspetta, inoltre, che i software di Bioprinting vengano aggiornati, offrendo all’utente maggiori possibilità.

L’azienda Biogelx sta sviluppando materiali sintetici sintonizzabili per la coltura di cellule 3D e per applicazioni di 3D bioprinting | Immagine di Biogelx

Ci sono ancora molte cose su cui i ricercatori e gli scienziati dovranno lavorare, ma noi siamo sicuri che il 3D bioprinting sia uno dei più grandi sviluppi in campo medico che vedremo nella nostra vita. Una vera e propria rivoluzione per il futuro della medicina!

Credi anche tu che il 3D bioprinting sia il futuro della medicina “su misura”? Faccelo sapere lasciando un commento qui sotto o sulle nostre pagine Facebook e Twitter!