Il 3D Bioprinting è il futuro della medicina personalizzata?

Il 3D Bioprinting è diventato uno dei segmenti principali nel settore della stampa 3D in termini di innovazione. Fino a poco tempo fa, il mercato era concentrato principalmente nel Nord America; oggi molte aziende, laboratori e università in tutto il mondo stanno esplorando questo campo. Grazie a tecniche simili alla stampa 3D, cellule e biomateriali possono essere combinati e depositati strato per strato per creare parti e impianti con le stesse proprietà di un tessuto naturale. I biomateriali che possono essere utilizzati sono vari e vengono combinati in modo diverso a seconda delle cellule trattate e dall’applicazione finale.

Naturalmente, la più grande impresa in questo campo sarebbe quella di biostampare un organo umano perfettamente funzionante. Ad oggi, la scienza non è ancora a questo punto e ci sono numerose incognite legate a questo processo di stampa, ma la ricerca continua e i progressi sono sempre più promettenti.

Crediti immagine: FluidForm

Qui di seguito affronteremo l’argomento e cercheremo di rispondere ad alcuni dei quesiti più frequenti sul 3D Bioprinting. Inoltre, esploreremo i vari processi di stampa associati a questa tecnologia.

Gli inizi del 3D Bioprinting

Il motivo principale che ha spinto i ricercatori a tentare la strada del 3D Bioprinting è stato il sogno di stampare in 3D un organo umano. È un fatto risaputo che la richiesta di trapianti continua ad aumentare ogni anno e che il numero di persone presenti sulle liste di attesa per un trapianto è di molto superiore a quello dei donatori. Il 3D Bioprinting potrebbe essere la soluzione a questa grande problematica. Ma come nasce questa tecnologia?

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 bidimensionali e tridimensionali utilizzando una comune stampante inkjet. 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 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, ha creato, ad esempio, un tessuto per il trapianto epatico.

il Professor Anthony Atala

Un’importante svolta ha segnato il settore nel 2019. 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 è stata 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. In seguito alla svolta segnata dal team di ricercatori dell’Università di Tel-Aviv, anche BIOLIFE4D è stata anche in grado di biostampare un cuore umano in miniatura, posizionandosi come la prima azienda negli Stati Uniti a riuscire nell’impresa.

Più di recente, nel 2022, un gruppo di ricercatori della Boston University ha sviluppato grazie alla biostampa 3D una “pompa microfluidica unidirezionale miniaturizzata cardiaca abilitata alla precisione” (miniaturized Precision-enabled Unidirectional Microfluidic Pump), nota anche come miniPUMP. La caratteristica incredibile della miniPUMP è che riesce a battere da sola, proprio come un cuore umano, grazie al suo tessuto vivo. Un passo significativo per far avanzare la ricerca sul funzionamento del cuore e su alcune malattie cardiache. Oltre a questo, altri progetti di successo di riproduzione di organi su scala ridotta si sono susseguiti negli ultimi anni, facendo intendere che la ricerca continua in questo senso.

miniPUMP (Crediti foto: Jackie Ricciardi)

Ovviamente, per una tecnologia così ambiziosa non mancano le sfide. Uno dei principali limiti è rappresentato dal costo elevato che ne ostacola spesso lo sviluppo, nonché delle problematiche relative all’etica. Tuttavia, oggi esistono nuove tecniche, più o meno costose, che stanno iniziando ad affermarsi.

3D Bioprinting: processo e tecniche

Come accennato, il 3D Bioprinting può avere numerosi usi nel settore della medicina e della ricerca medica. In generale, il processo che sottostà a ogni applicazione è la raccolta di dati che vengono poi lavorati e trasformati per elaborare il proprio progetto. Per lo sviluppo di tessuti e impianti funzionali con caratteristiche morfologiche e architettoniche simili a quelli umani è spesso necessario partire dall’anatomia del paziente. In linea generale, il processo prevede:

• acquisizione di immagini (TAC; risonanza magnetica ecc.) e/o di tessuti e cellule del paziente;
• ricostruzione dei tessuti danneggiati o delle parti che si vogliono riprodurre tramite software e tecniche di bioingegneria;
• selezione del biomateriale più adatto;
• inserimento nel biomateriale delle cellule e creazione del materiale di stampa;
• scelta della tecnologia più adatta per l’applicazione finale.

Per quanto riguarda le tecnologie specifiche, in generale, le principali tecnologie utilizzate e approvate dalla comunità internazionale sono tre: Inkjet Bioprinting; Biorpinting a estrusione e Bioprinting a base laser. A queste si aggiungono altre tecniche più sperimentali o sviluppate nell’ambito di ricerche specifiche, ne elencheremo alcune.

Inkjet 3D Bioprinting

Uno delle tecnologie più note di biostampa 3D è l’Inkjet 3D Bioprinting. Questa tecnologia è molto simile al processo tradizionale di stampa Inkjet, o a getto di inchiostro, delle comuni stampanti. È possibile, infatti, modificare una classica stampante e trasformarla in una biostampante 3D con bioinchiostri. Questo metodo permette di depositare gocce di bioinchiostro (anche noto come biomateriale o biotina) 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. 

Il processo termico impiega un sistema riscaldante che crea bolle d’aria che collassano e forniscono la pressione necessaria a espellere le gocce di bioinchiostro. Nel processo piezoelettrico, invece, un cristallo di ceramica piezoelettrica è presente nell’ugello. Questo materiale ha la capacità di dilatarsi e restringersi quando viene percorso da una corrente elettrica. Applicando una piccola corrente elettrica il cristallo si contrae o dilata, spingendo l’inchiostro fuori dall’ugello. Uno svantaggio importante di questa tecnologia è che può causare danni alla membrana cellulare e dunque si avranno inchiostri a scarso contenuto di cellule.

Gli scienziati hanno fatto grandi progressi relativamente ai pattern delle molecole, delle cellule e degli organi con la stampa inkjet. 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 questa tecnica; ciò mantenendo le loro funzioni, con buone prospettive per la creazione di tessuti o organi viventi.

Organovo, utilizza la biostampa 3D inkjet per creare tessuti umani funzionali. Più specificamente, l’azienda è interessata alla riproduzione dei tessuti del fegato umano. Si concentra 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 il più diffuso per la sua semplicità di esecuzione e per i bassi costi associati. È basato sull’estrusione (pneumatica, a pistone o ad aria) di una soluzione di biomateriali e cellule del paziente. Consiste nello stampare strato dopo strato il modello o tessuto desiderato. 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 del processo di biostampa a getto d’inchiostro.

Biostampante 3D Allevi (Crediti: Allevi)

3D Bioprinting basato su laser

Il metodo Laser-Assisted Bioprinting (LAB) 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. Questa tecnologia non è però senza difetti, poiché gli elevati costi ad essa associati non ne permettono l’ampio uso e la diffusione.

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. Lo scopo è ricreare un follicolo pilifero come soluzione per stimolare la crescita dei capelli, una potenziale alternativa per uomini e donne che si trovano ad affrontare la calvizie. L’azienda, inoltre, è nota anche per aver ideato Poieskin, un modello di pelle umana realizzato interamente mediante biostampa 3D.

Altre tecniche e nuovi sviluppi della biostampa 3D 

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 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 e della medicina personalizzata 

Come si sarà compreso, 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.

In particolare, una delle principali applicazioni della biostampa 3D è la riproduzione in vitro di tessuti per la sperimentazione di farmaci e lo studio delle malattie specifiche. Il vantaggio di questo approccio è quello di limitare la sperimentazione animale e rendere le cure più efficaci perché testate sulle caratteristiche specifiche di ciascun paziente. Un esempio è il lavoro di Carcinotech che sta ottenendo ottimi risultati stampando in 3D tumori derivati dalle cellule del paziente e testando su di essi farmaci a più alto rendimento. Un significativo passo avanti nello sviluppo di nuove terapie contro il cancro, più mirate e combinate. Anche la creazione di impianti o tessuti sulla base di cellule del paziente ha già avuto successo in casi clinici. Un esempio in questo campo è l’azienda 3DBio Therapeutics che realizza impianti di orecchio con idrogel di collagene e cellule cartilaginee del paziente stesso.

Crediti: 3DBio Therapeutics

In termini di tendenze, Grand View Research, un’importante società di ricerche di mercato con sede a San Francisco, ha previsto che il mercato globale del bioprinting raggiunga i 4,1 miliardi di dollari entro il 2026, facendo segnare un CAGR del 19,5%.

Ci si aspetta che anche il segmento dei materiali cresca, grazie ad altre tecnologie come l’IA, 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.

I creatori della prima cornea stampata in 3D (Crediti: Newcastle University)

Se guardiamo invece alle principali preoccupazioni presenti e future, oltre ai costi associati, come anticipato c’è anche un dibattito etico sulle conseguenze della medicina personalizzata e chi potrà essere in grado di avervi accesso. Un’altra difficoltà dal punto di vista etico è che è molto complesso o impossibile testare l’efficacia e la sicurezza di questi trattamenti. Dopo aver analizzato le diverse tecniche impiegate, sappiamo che sarebbe possibile sviluppare organi e tessuti funzionali in grado di sostituire quelli 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.

Inoltre, le nuove tecnologie potrebbero essere utilizzate in maniera impropria e la biostampa 3D non fa eccezione. Se la tecnologia è 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. Possibilità attraenti per determinati settori, come quello militare.

Ci sono ancora molte cose, dunque, su cui i ricercatori e gli scienziati dovranno lavorare, non senza l’aiuto delle istituzioni e degli organi competenti. Noi però 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!

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