I progetti di 3D Bioprinting: organi e tessuti stampati in 3D

Il 3D bioprinting o biostampa 3D è un metodo di produzione di strutture cellulari a partire da bioinchiostri caricati con cellule staminali: strato dopo strato, il biomateriale viene depositato per creare pelle, tessuti o persino un organo. Basti immaginare un cuore, un orecchio, un polmone o un rene stampati in 3D, realizzati su misura con le cellule del paziente stesso: una svolta per il settore medico! È ancora un po’ presto per contare su organi bio-stampati che siano vitali e durevoli nel tempo, e questa è la sfida che i ricercatori devono affrontare. Tuttavia, i progressi si susseguono a ritmo rapido e, a lungo termine, il 3D bioprinting potrebbe consentire di far fronte alla mancanza di donatori di organi o semplicemente di comprendere meglio alcune patologie. Vogliamo quindi ricordare i principali progetti di bioprinting nel mondo, sia che si tratti di tessuti, organi o parti del corpo stampati in 3D.

Un mini cuore umano stampato in 3d

Un gruppo di ricerca della Boston University ha utilizzato la tecnologia di stampa 3D per sviluppare una replica in miniatura di un cuore umano. Il dispositivo è stato creato utilizzando una combinazione di cellule cardiache umane derivate da cellule staminali e parti acriliche stampate in 3D su microscala. Si tratta di una “pompa microfluidica unidirezionale miniaturizzata cardiaca abilitata alla precisione”, nota anche come miniPUMP (miniaturized Precision-enabled Unidirectional Microfluidic Pump). La caratteristica incredibile della miniPUMP è che riesce a battere da sola, proprio come un cuore umano, grazie al suo tessuto vivo.
I ricercatori vogliono utilizzare questa replica della camera cardiaca per studiare come funziona il cuore nel corpo umano. Il dispositivo potrà, ad esempio, essere utilizzato per capire meglio come il cuore cresce in un embrione, come il tessuto cardiaco sia influenzato dalle malattie o quanto siano efficaci i nuovi farmaci nel trattamento di tali malattie. Una vera rivoluzione che potrebbe evitare in futuro la necessità di test sull’uomo.

A sinistra: una replica su larga scala dell’impalcatura stampata in 3D che sostiene il tessuto cardiaco (crediti: foto di Christos Michas). A destra: un’immagine in vista laterale della miniPUMP scattata in laboratorio (crediti foto: Jackie Ricciardi).

Una soluzione stampata in 3D per l’insufficienza renale

Un altro eccellente esempio di bioprinting riguarda i reni. L’insufficienza renale è una malattia che colpisce molte persone in tutto il mondo, ma non esistono molte opzioni di trattamento. Per questo motivo, l’azienda Trestle Biotherapeutics ha lavorato allo sviluppo di tessuti che possono essere impiantati in pazienti con malattie renali in fase terminale. Nello specifico, si tratta di tessuto renale funzionale, destinato a sostituire e completare le funzioni renali e a integrare le funzioni renali precedentemente perse. Secondo Trestle Biotherapeutics, questa nuova terapia funziona integrando la biologia delle cellule staminali con il bioprinting 3D. L’obiettivo del team di Trestle non è solo quello di evitare il trattamento dialitico per i pazienti e di concedere loro più tempo fino al trapianto, ma anche di utilizzare questo tessuto renale biostampato come organo sostitutivo funzionante in futuro.

Crediti: Trestle Biotherapeutics.

Cornea stampata in 3D

Ogni anno, più di 1,5 milioni di persone soffrono di problemi alla cornea che possono portare alla cecità. Per risolvere questo problema, un gruppo di ricerca di Hyderabad, in India, ha completato con successo lo sviluppo della prima cornea biostampata in 3D. Il tessuto stesso è realizzato con un bio-inchiostro ottenuto da tessuto corneale umano e senza l’aggiunta di altri elementi artificiali o sintetici. Secondo i promotori dell’iniziativa, per ogni cornea umana donata è possibile stampare in 3D tre nuove cornee. Questi progressi nel campo dell’oftalmologia aiuteranno a trattare malattie come le cicatrici corneali e il cheratocono. Il progetto è stato testato sui conigli e, sebbene manchi ancora un po’ di tempo prima che possa essere utilizzato sugli esseri umani, i risultati sono stati positivi e molto promettenti.

Crediti: IANS Photo

Biostampa 3D di un’ovaia

La salute delle donne è un campo della medicina spesso considerato poco esplorato. Molte condizioni non sono attualmente ben comprese. Tuttavia, il 3D bioprinting di parti del sistema riproduttivo potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio il comportamento delle cellule e, di conseguenza, varie malattie. Nel 2022, un gruppo di scienziati del Tongi Hospital in Cina ha sviluppato un ovaio artificiale stampato in 3D utilizzando cellule di topo e gelatina metacrilica (GelMA), un comune idrogel per la bioingegneria. Hanno scoperto che questo idrogel è un’opzione valida per la biostampa 3D. I risultati hanno suggerito che non è adatto alle cellule ovariche primarie (cioè alle cellule ovariche prelevate direttamente dal tessuto), ma che era adatto alla crescita in vitro di follicoli ovarici (cioè un gruppo di cellule contenenti un ovulo immaturo e altre cellule). Secondo i ricercatori, i risultati ottenuti potrebbero trovare applicazione clinica nel trattamento delle malattie endocrine e riproduttive femminili.

In un progetto simile alla Northwestern University, gli scienziati hanno coltivato un ovulo di topo in un’ovaia bioprotesica (Foto: Northwestern University).

Un mini fegato stampato in 90 giorni

I ricercatori dell’Università di São Paulo in Brasile sono riusciti a stampare in 3D versioni in miniatura di un fegato umano a partire da cellule del sangue. Il processo è durato solo 90 giorni, dalla raccolta del sangue dal paziente alla produzione del tessuto. Questi piccoli organi del fegato svolgono tutte le funzioni dell’organo in questione: produzione di proteine vitali, stoccaggio di vitamine e secrezione di bile. Per produrre il tessuto epatico, il team ha utilizzato la biostampante Inkredible, commercializzata da Cellink, uno degli attori più riconosciuti nel mercato del bioprinting.

Il mini-fegato è stato biostampato in 90 giorni (crediti: Agenzia FAPESP).

Un orecchio stampato in 3D pronto all’uso

Negli Stati Uniti una bambina affetta da microtia è stata sottoposta con successo al trapianto di un orecchio stampato in 3D. Questa anomalia congenita impedisce lo sviluppo dell’orecchio esterno. L’orecchio è stato prodotto da 3DBio Therapeutics con idrogel di collagene e cellule cartilaginee del paziente stesso. Le cellule, responsabili della formazione della cartilagine, vengono trattate con una miscela di sostanze nutritive proprietaria, si moltiplicano e vengono poi mescolate con un colorante biologico. In 10 minuti è possibile creare un orecchio per i pazienti. Dopo il processo di stampa, l’orecchio viene inviato con una guaina protettiva al chirurgo, che esegue il trapianto. A differenza del metodo di trattamento convenzionale, che prevede la realizzazione di una protesi dalla cartilagine costale, questo trattamento è meno costoso. Il professor Anthony Atala, direttore del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, sottolinea l’importanza di questo progetto: “Si tratta di una svolta importante per il campo della medicina rigenerativa. La stampa 3D mira a offrire una serie di vantaggi rispetto ai tessuti ingegnerizzati a mano, come la scalabilità, la maggiore precisione nella progettazione e i costi inferiori”.

Crediti: 3DBio Therapeutics

Pancreas stampato in 3D per combattere il diabete

Il pancreas svolge un ruolo molto importante nell’organismo in quanto produce insulina. Di conseguenza, il suo malfunzionamento può avere gravi conseguenze, come il diabete. Poiché questa malattia colpisce più di 463 milioni di persone in tutto il mondo, diventa sempre più importante trovare soluzioni più permanenti ed efficaci per curarla, e la stampa 3D potrebbe svolgere un ruolo essenziale. Un esempio è rappresentato dall’azienda polacca Polbioionica. Nata da un team multidisciplinare di scienziati della Fondazione per la ricerca e lo sviluppo della scienza, che è stata la prima a utilizzare il bioprinting per realizzare un pancreas bionico nel marzo 2019, si dedica alla creazione di questi organi completamente funzionali a partire da biotina e isolette pancreatiche proprietarie e dalle cellule staminali del paziente stesso. Il loro obietivo è che la soluzione su misura non solo fornisca organi in tutto il mondo, ma possa anche prevenire le complicazioni del diabete e ridurre i costi sanitari.

Crediti: Fundacja Badań i Rozwoju Nauki

Il progetto di pelle biostampata in 3D di Poietis

Poietis è un’azienda francese specializzata in soluzioni di 3D bioprinting. Progetta e commercializza una gamma di bioprinters 3D chiamata Next Generation Bioprinting. L’azienda è particolarmente rinomata per il suo lavoro di ricerca sulla pelle. Poieskin è un modello di pelle umana realizzato interamente mediante biostampa 3D. Nello specifico, è costituito da uno strato dermico, uno dei tre strati della pelle tra l’epidermide e l’ipoderma, composto da fibroblasti, cellule del derma, inglobati nel collagene di tipo 1 e ricoperti da un’epidermide disposta in strati sovrapposti che danno origine a un modello 3D. Questa pelle biostampata in 3D potrebbe essere utilizzata da chiunque abbia subito gravi ustioni, cancro o altri infortuni alla pelle. Secondo Poietis, l’elevata precisione e risoluzione della sua biostampante 3D consente la fabbricazione controllata di strutture cellulari 3D e di modelli riproducibili di tessuto cutaneo. È stata anche in grado di condurre la prima sperimentazione clinica e ha installato la piattaforma Next Generation Bioprinting in un ospedale per produrre tessuti biologici impiantabili.

Crediti: Poietis

La prima ricostruzione nasale con il 3D Bioprinting

In un caso dell’Istituto Universitario del Cancro di Tolosa e del CERHUM, una paziente che aveva perso gran parte del naso e del palato durante il trattamento per un cancro alle cavità nasali si è vista letteralmente ricrescere il proprio naso, con una ricostruzione completa, eseguita dalla dottoressa Agnes Dupret-Bories e dal dottor Benjamin Vairel. Il processo consisteva in diverse fasi, a partire da un biomateriale stampato in 3D che è stato impiantato sotto la pelle dell’avambraccio della paziente e dal processo di crescita dei vasi sanguigni nel tessuto. Dopo due mesi, la colonizzazione del tessuto trapiantato nell’area nasale è stata completata e rivascolarizzata con successo. In questo modo, la paziente ha avuto un naso perfettamente funzionante, realizzato con le sue stesse cellule.

Crediti: CERHUM/Ospedale Universitario di Tolosa.

Scopri altri interessanti progetti di 3D Bioprinting nel video:

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