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Tessuti e Organi Artificiali

SWIFT, un passo da gigante nella creazione di organi artificiali con vasi sanguigni annessi

Se in passato la rimozione chirurgica è stata il rimedio più diffuso per una incredibile varietà di condizioni mediche, oggi la sostituzione con tessuti artificiali sembra essere l’alternativa più allettante.

Lo sanno bene gli scienziati dell’Harvard Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering e della SEAS, che da anni lavorano sulla rigenerazione di tessuti e organi. Qualche settimana fa, i due colossi della ricerca statunitensi hanno introdotto, pubblicando la ricerca su Science Advances, un nuovo metodo per la biomanifattura di tessuti chiamato SWIFT, acronimo di Sacrificial Writing Into Functional Tissue.

Questa tecnica permette di ottenere dei tessuti con una densità cellulare più simile a quella naturale nonché una migliore perfusione dell’organo, attraverso una rete di condotti stampati direttamente all’interno della struttura.

La crisi dei trapianti d’organo

Più di 8mila sono gli italiani in lista d’attesa per uno o più trapianti d’organo, per un totale che supera i 20mila interventi necessari. Negli Stati Uniti, ogni dieci minuti, un nuovo nome si aggiunge alla lista e le donazioni non riescono a tenere il passo della domanda, causando innumerevoli decessi nell’attesa e incentivando il mercato nero degli organi.

Accanto al trapianto classico, i cui limiti risiedono nella poca reperibilità di organi umani e nella dipendenza del paziente dall’uso di farmaci immunosoppressori, tra le promettenti tecniche per la sostituzione di organi vi sono il trapianto interspecie, lo xenotrapianto (che consente il superamento del primo ma non del secondo limite, ovvero la barriera immunologica) ed il trapianto di organi artificiali, creati in laboratorio a partire da cellule specifiche del paziente.

Facile, direte. Mica tanto. La difficoltà nell’integrare una rete vascolare, fa sì che i tessuti artificiali abbiano uno spessore massimo di meno di un millimetro: uno spessore maggiore, infatti, non garantirebbe la vitalità delle cellule che si trovano in profondità, le quali morirebbero a causa della scarsità di nutrienti ed ossigeno.

Inoltre, i tessuti artificiali hanno poca complessità microstrutturale e bassa densità cellulare (di circa due ordini di grandezza inferiore a quella misurata in vivo) e non sono quindi “funzionanti” come la controparte umana.

Come risultato, oggi gli scienziati sono in grado di produrre tessuti per piccoli innesti, ma non organi completi ad uso terapeutico.

La tecnica SWIFT

La SWIFT è una tecnica a più stadi, rappresentati in Fig. 1. A partire da una coltura aderente di cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs) – ovvero cellule differenziate riprogrammate geneticamente per essere cellule staminali – si formano centinaia di migliaia di aggregati tridimensionali di queste cellule.

Fig.1. Gli otto stadi della tecnica SWIFT.

Per fare ciò, le cellule sono trasferite su un substrato contenente micropozzetti, fabbricati con la tecnica del PDMS molding, la cui superficie convessa, che ospiterà le cellule in sospensione, ricorda una piramide invertita.

Gli aggregati di cellule fungono da blocchi costituenti del tessuto da ricreare e sono detti Organ Building Blocks (OBBs). Gli OBBs possono essere composti da cellule staminali o differenziate, per cui vengono definiti OBBs di Corpi Embrioidi nel primo caso, e di Organoidi o di Sferoidi nel secondo caso. L’articolo fa riferimento prevalentemente ad OBBs di Corpi Embrioidi (EBs).

Gli OBBs sono circa 400 mila per costrutto ed è ad essi che gli scienziati attribuiscono la maggiore scalabilità ed il controllo sulla microarchitettura del tessuto.

Per favorire la crescita cellulare, gli OBBs vengono immersi in una soluzione che simula l’habitat naturale delle cellule – la matrice extracellulare (MEC) – e poi centrifugati.

La soluzione simil-MEC, fatta di collagene I e Matrigel, gelificando a 37 °C, riempie lo spazio tra gli OBBs e conferisce la rigidezza necessaria alla coltura per lo step successivo: il 3D printing di un inchiostro di gelatina all’interno del tessuto (secondo l’approccio dell’embedded 3D bioprinting).

La gelatina in questo caso è un sacrificial ink che ha proprietà meccaniche dipendenti dalla temperatura: sciogliendosi a 37 °C, infatti, funge da sagoma per le strutture tubulari che hanno il compito di mimare i vasi sanguigni. Queste strutture sono necessarie per l’irrorazione della coltura e, una volta rimosso l’inchiostro, vengono connesse ad una pompa esterna che fa circolare del medium di coltura ossigenato all’interno del tessuto.

La matrice ha un ruolo chiave in questo stadio, così come l’inchiostro, e le loro proprietà vanno caratterizzate ed ingegnerizzate al meglio: dalle proprietà reologiche a quelle rigeneranti, alla rigidezza che varia al variare della temperatura.

Fig.2. Da sinistra a destra: coltura di cellule in micropozzetti, scala: 300 µm (i), una soluzione di OBBs di EBs con densità cellulare pari a 200 milioni cellule/ml (ii), OBBs in dettaglio, scala: 200 µm (iii); effetti della temperatura su plateau dei moduli di conservazione (nel caso indicato dall’asterisco si tratta di moduli di perdita) di una matrice di EBs e dell’inchiostro; inchiostro sacrificale stampato all’interno della matrice.

I canali stampati possono avere un diametro minimo di 400 µm ed essere interconnessi a formare degli oggetti tridimensionali ramificati. In Fig. 3 un esempio di stampa di una struttura elicoidale dimostra che è possibile stampare in qualsiasi direzione, anche forme abbastanza contorte.

Per quanto riguarda la velocità di stampa, si è visto che fino a 4 mm/s la vitalità cellulare e l’integrità della matrice vengono preservate.

Fig. 3

Al fine di sperimentare ulteriormente la tecnica SWIFT, i ricercatori di Harvard hanno tentato di replicare il tessuto cardiaco. Hanno quindi generato fino a 6 ml di OBBs composti da cardiomiociti (per l’80% circa) e tessuto connettivo. Questi sono poi stati uniti con la soluzione MEC e con dei fibroblasti dermici neonatali.

Dopo 7 giorni di coltura, il tessuto ha iniziato a battere spontaneamente, cadenzato da onde di calcio che si propagano per il tessuto.

Successivamente, è stata stampata una rete di vasi, l’inchiostro è stato rimosso e la perfusione (500 µl/min) ha avuto inizio. All’ottavo giorno lo sviluppo di una organizzazione sarcomerica è evidente nel tessuto (Fig. 4A) ed il movimento contrattile aumenta di 20 volte. Con l’aggiunta di calcio (2mM) nello stesso giorno, la contrattilità cresce del 40% ed i battiti diventano via via più sincroni (Fig. 4B).

Il tessuto ottenuto è stato quindi stimolato sia elettricamente, a 1 Hz e 2 Hz (Fig. 4C), sia farmacologicamente, prima con 10-5 M di isoproterenolo, uno stimolante cardiaco che ha provocato un raddoppiamento della frequenza cardiaca (Fig. 4D), e dopo con 1 mM di 1-heptanol, che ha causato una riduzione dell’ampiezza contrattile (Fig. 4E).

Infine, con le informazioni strutturali offerte dal National Institute of Health è stata creata una copia di un miocardio in scala 1:2, riempiendo uno stampo con la soluzione contenente gli OBBs, e stampando il letto vascolare.

Fig.4. Da sinistra a destra: staining che sottolinea organizzazione sarcomerica nel tessuto dopo 8 giorni, scala: 10 µm; spostamento verticale dovuto a contrazioni spontanee che cresce nel tempo e con l’aggiunta di calcio; effetti sul tessuto della stimolazione elettrica a 1 Hz e 2 Hz; effetti sul tessuto della stimolazione farmacologica.

Conclusioni e sviluppi futuri

Seguendo il protocollo SWIFT è possibile creare un tessuto artificiale autologo, ottenuto a partire da cellule specifiche del paziente quindi meno incline al rigetto.

Il progetto è ambizioso ed ha l’obiettivo di testare SWIFT per diversi tessuti, inclusi quelli cerebrale e renale, e raffinare i canali di perfusione, ricoprendoli interamente di cellule endoteliali aderenti al lume dei vasi (gli esperimenti in questa direzione sono già iniziati al momento della pubblicazione).

Per quanto riguarda la replica del miocardio invece i prossimi step includono la creazione di un tessuto anisotropo e migliorie nella microvascolatura e nella contrattilità, che per il tessuto ottenuto in laboratorio è dell’1%, quindi di molto inferiore rispetto al 20% della contrattilità di un tessuto cardiaco adulto.

Nonostante le enormi potenzialità, è lampante che ci sia ancora molto da fare nel campo della progettazione di organi artificiali affinché il trapianto diventi un rapido e sicuro intervento medico: la SWIFT è senza dubbio un passo da gigante verso questo auspicato scenario.


Bibliografia
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Informazioni autore

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Maria Teresa Sposato

Mi piace lavorare con gli altri e per gli altri.
Laureata al Politecnico di Torino, mi occupo di innovazione in un'azienda farmaceutica e studio per conseguire un MBA. I miei interessi rientrano in tutti i campi dell'ingegneria biomedica, scienza e business.

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