La nuova innovazione permette agli scienziati di creare reti vascolari squisitamente intrecciate che imitano i passaggi naturali del corpo per sangue, aria, linfa e altri fluidi vitali.
La ricerca è presente sulla copertina del numero di questa settimana di Science. Include una prova di principio visivamente sbalorditiva – un modello di idrogel di un sacco d’aria che imita i polmoni in cui le vie aeree forniscono ossigeno ai vasi sanguigni circostanti. Inoltre sono riportati esperimenti per impiantare costrutti bioprinted contenenti cellule epatiche nei topi.
Il lavoro è stato guidato dai bioingegneri Jordan Miller della Rice University e Kelly Stevens dell’Università di Washington (UW) e ha incluso 15 collaboratori di Rice, UW, Duke University, Rowan University e Nervous System, una società di progettazione a Somerville, Massachusetts.
“Uno dei più grandi blocchi stradali per generare sostituzioni funzionali dei tessuti è stata la nostra incapacità di stampare la complessa vascolarizzazione che può fornire nutrienti ai tessuti densamente popolati”, ha detto Miller, assistente professore di bioingegneria alla Brown School of Engineering di Rice. “Inoltre, i nostri organi contengono reti vascolari indipendenti – come le vie respiratorie e i vasi sanguigni del polmone o i dotti biliari e i vasi sanguigni del fegato. Queste reti interpenetranti sono fisicamente e biochimicamente intrecciate, e l’architettura stessa è intimamente legata alla funzione del tessuto. La nostra è la prima tecnologia di bioprinting che affronta la sfida della multivascolarizzazione in modo diretto e completo.”
Stevens, assistente professore di bioingegneria nel UW College of Engineering, assistente professore di patologia nella UW School of Medicine, e un ricercatore presso l’Istituto UW Medicine per cellule staminali e medicina rigenerativa, ha detto multivascolarizzazione è importante perché forma e funzione spesso vanno di pari passo.
“L’ingegneria dei tessuti ha lottato con questo per una generazione”, ha detto Stevens. “Con questo lavoro ora possiamo chiedere meglio: ‘Se possiamo stampare tessuti che assomigliano e ora anche respirano di più ai tessuti sani nel nostro corpo, si comporteranno anche funzionalmente più come quei tessuti? Questa è una domanda importante, perché quanto bene funziona un tessuto bio-stampato influenzerà il successo che avrà come terapia.”
L’obiettivo di bio-stampare organi sani e funzionali è guidato dal bisogno di trapianti di organi. Più di 100.000 persone sono in lista d’attesa per un trapianto solo negli Stati Uniti, e quelli che alla fine ricevono organi da donatore devono ancora affrontare una vita di farmaci immunosoppressori per prevenire il rigetto dell’organo. Il bioprinting ha attirato un intenso interesse nell’ultimo decennio perché potrebbe teoricamente affrontare entrambi i problemi permettendo ai medici di stampare organi sostitutivi dalle cellule del paziente stesso. Una fornitura pronta di organi funzionali potrebbe un giorno essere impiegata per trattare milioni di pazienti in tutto il mondo.
“Prevediamo che la biostampa diventi una componente importante della medicina entro i prossimi due decenni”, ha detto Miller.
“Il fegato è particolarmente interessante perché svolge 500 funzioni strabilianti, probabilmente secondo solo al cervello”, ha detto Stevens. “La complessità del fegato significa che attualmente non c’è nessuna macchina o terapia che possa sostituire tutte le sue funzioni quando si guasta”. Gli organi umani bio-stampati potrebbero un giorno fornire quella terapia”.”
Per affrontare questa sfida, il team ha creato una nuova tecnologia di bioprinting open-source chiamata “apparato di stereolitografia per l’ingegneria dei tessuti”, o SLATE. Il sistema utilizza la produzione additiva per fare idrogeli morbidi uno strato alla volta.
Gli strati sono stampati da una soluzione liquida pre-idrogel che diventa un solido quando esposto alla luce blu. Un proiettore digitale di elaborazione della luce illumina dal basso, visualizzando fette sequenziali 2D della struttura ad alta risoluzione, con dimensioni dei pixel che vanno da 10-50 micron. Con ogni strato solidificato a turno, un braccio sopraelevato solleva il gel 3D in crescita quanto basta per esporre il liquido all’immagine successiva del proiettore. L’intuizione chiave di Miller e Bagrat Grigoryan, uno studente laureato della Rice e co-autore principale dello studio, è stata l’aggiunta di coloranti alimentari che assorbono la luce blu. Questi fotoassorbitori confinano la solidificazione in uno strato molto sottile. In questo modo, il sistema può produrre gel morbidi, a base d’acqua e biocompatibili con un’intricata architettura interna in pochi minuti.
I test della struttura che imita i polmoni hanno mostrato che i tessuti erano abbastanza robusti da evitare di scoppiare durante il flusso sanguigno e la “respirazione” pulsatile, un’entrata e uscita ritmica di aria che ha simulato le pressioni e le frequenze del respiro umano. I test hanno scoperto che i globuli rossi potevano prendere l’ossigeno mentre scorrevano attraverso una rete di vasi sanguigni che circondano il sacco d’aria “respirante”. Questo movimento di ossigeno è simile allo scambio di gas che avviene nei sacchi d’aria alveolari del polmone.
Per progettare la struttura più complicata dello studio che imita i polmoni, che è presente sulla copertina di Science, Miller ha collaborato con i co-autori dello studio Jessica Rosenkrantz e Jesse Louis-Rosenberg, co-fondatori di Nervous System.
“Quando abbiamo fondato Nervous System era con l’obiettivo di adattare gli algoritmi dalla natura in nuovi modi per progettare prodotti”, ha detto Rosenkrantz. “Non avremmo mai immaginato che avremmo avuto l’opportunità di riportarlo indietro e progettare tessuti viventi”.
Nei test di impianti terapeutici per le malattie del fegato, il team ha stampato in 3D dei tessuti, li ha caricati con cellule epatiche primarie e li ha impiantati nei topi. I tessuti avevano compartimenti separati per i vasi sanguigni e le cellule epatiche e sono stati impiantati in topi con lesioni epatiche croniche. I test hanno mostrato che le cellule epatiche sono sopravvissute all’impianto.
Miller ha detto che il nuovo sistema di bioprinting può anche produrre caratteristiche intravascolari, come le valvole bicuspidi che permettono al fluido di fluire in una sola direzione. Negli esseri umani, le valvole intravascolari si trovano nel cuore, nelle vene delle gambe e nelle reti complementari come il sistema linfatico che non hanno una pompa per guidare il flusso.
“Con l’aggiunta della struttura multivascolare e intravascolare, stiamo introducendo un ampio set di libertà di progettazione per l’ingegneria dei tessuti viventi”, ha detto Miller. “Ora abbiamo la libertà di costruire molte delle intricate strutture che si trovano nel corpo”.
Miller e Grigoryan stanno commercializzando gli aspetti chiave della ricerca attraverso una startup di Houston chiamata Volumetric. L’azienda, che Grigoryan ha aderito a tempo pieno, sta progettando e producendo bioprinters e bioinks.
Miller, un campione di lunga data della stampa 3D open-source, ha detto che tutti i dati sorgente dagli esperimenti nello studio pubblicato Scienza sono liberamente disponibili. Inoltre, tutti i file stampabili 3D necessari per costruire l’apparato di stampa stereolitografica sono disponibili, così come i file di progettazione per la stampa di ciascuno degli idrogeli utilizzati nello studio.
“Rendere disponibili i file di progettazione dell’idrogel permetterà ad altri di esplorare i nostri sforzi qui, anche se utilizzano qualche futura tecnologia di stampa 3D che non esiste oggi”, ha detto Miller.
Miller ha detto che il suo laboratorio sta già utilizzando il nuovo design e le tecniche di bioprinting per esplorare strutture ancora più complesse.
“Siamo solo all’inizio della nostra esplorazione delle architetture trovate nel corpo umano”, ha detto. “Abbiamo ancora molto da imparare”
Altri coautori dello studio sono Samantha Paulsen, Daniel Sazer, Alexander Zaita, Paul Greenfield, Nicholas Calafat e Anderson Ta di Rice; Daniel Corbett, Chelsea Fortin e Fredrik Johansson di UW; John Gounley e Amanda Randles di Duke; e Peter Galie di Rowan.
Il lavoro è stato sostenuto dalla Robert J. Kleberg, Jr. e Helen C. Kleberg Foundation, dalla John H. Tietze Foundation, dalla National Science Foundation (1728239, 1450681 e 1250104), dai National Institutes of Health (F31HL134295, DP2HL137188, T32EB001650, T32GM095421 e DP5OD019876) e dal Gulf Coast Consortia.
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