Nasi dalla bioprinter

La bioprinting, la stampa 3D con materiali cellulari, è sulla buona strada per diventare la prossima grande novità della medicina personalizzata. Nel laboratorio del Gruppo di tecnologia e rigenerazione della cartilagine al Dipartimento di scienze e tecnologie della salute Matti Kesti presenta lo stato attuale della ricerca: una cartilagine bianca di un naso e un orecchio in miniatura giacciono in un piatto riempito di soluzione nutritiva. Il dottorando ha prodotto entrambi da un mix di biopolimeri e cellule cartilaginee vive utilizzando la bioprinter del laboratorio, una stampante 3D per materiali biologici. L'insolita stampante ha le dimensioni di una cappella di laboratorio e a prima vista sembra una cappa protetta del laboratorio. Il cuore del sistema è una ruota con otto siringhe, ognuna delle quali può essere riempita con una sospensione diversa. Un computer all'esterno della stampante, munito di serratura, controlla gli stantuffi delle siringhe Chi siamo dati digitali provenienti da un modello tridimensionale. La sospensione viene quindi fatta uscire dall'ugello della siringa con precisione millimetrica e la struttura desiderata, ad esempio un pezzo di cartilagine articolare o nasale, viene costruita con un processo di stratificazione su una piattaforma sottostante che sfreccia avanti e indietro rapidamente. Per quest'ultimo processo la bioprinter impiega 16 minuti.

Kesti illustra come questa procedura potrebbe rivoluzionare la chirurgia ricostruttiva del futuro: Il naso di un passeggero viene frantumato in un grave incidente stradale. Viene ricostruito al computer come modello 3D. Allo stesso tempo, durante una biopsia vengono prelevate le cellule cartilaginee del paziente stesso, ad esempio dal ginocchio, dalle dita, dalle orecchie o dai frammenti del naso frantumato. Le cellule vengono moltiplicate in laboratorio e mescolate con un biopolimero. Da questa sospensione simile a un dentifricio, viene creato un innesto di cartilagine nasale con il bioprinter e impiantato chirurgicamente nel paziente. Il biopolimero viene utilizzato solo per la modellazione; in seguito viene degradato dalle cellule cartilaginee dell'organismo. Dopo alcuni mesi, il vecchio trapianto non è più distinguibile dalla cartilagine nasale del paziente. Questa procedura presenta notevoli vantaggi rispetto alle protesi classiche, come quelle in silicone: Il rischio di reazioni di rigetto da parte dell'organismo è molto più basso. Inoltre, un fattore decisivo soprattutto per i pazienti giovani: l'impianto cellulare cresce con il paziente, in quanto è controllato dal motore di crescita del paziente stesso, proprio come altre parti del corpo.

Requisiti elevati per il bioinchiostro

Ci sono buone ragioni per cui la stampa cellulare si sta facendo strada in medicina: "La stampante 3D esiste da quasi 20 anni. Il fatto che sia stata scoperta solo ora per scopi chirurgici è dovuto principalmente alla mancanza di bioink", afferma Marcy Zenobi-Wong, professoressa e responsabile del progetto di ricerca di Kesti. Non sono ancora disponibili cartucce di stampa cellulari commerciali perché il trapianto richiede requisiti estremamente elevati per il materiale. Ogni materiale destinato all'uso clinico è soggetto a severe linee guida internazionali e nazionali e deve essere testato per anni prima di essere utilizzato negli ospedali, con costi spesso milionari. Per questo motivo Zenobi-Wong e il suo gruppo di ricerca si concentrano su biopolimeri già noti per l'uso ospedaliero quotidiano. Gli acidi alginici, ad esempio. Si tratta di polimeri estratti dalle alghe marine che sono ben tollerati dall'organismo. Oppure il condroitin solfato, una macromolecola prodotta naturalmente dall'organismo e responsabile della resistenza del tessuto cartilagineo.

Per il bioprinting, questi biopolimeri vengono mescolati con cellule umane, o per scopi di laboratorio anche animali, e trasformati in un cosiddetto idrogel con un contenuto d'acqua fino al 90%. Le proprietà di flusso di questo bioinchiostro devono essere giuste, in modo che il gel non intasi gli aghi della siringa. Allo stesso tempo, però, deve anche essere sufficientemente viscoso da poter contenere la struttura del corpo da costruire. Se il gel fosse troppo liquido, gli strati si staccherebbero sotto pressione. Poi ci sono le proprietà gelificanti: Affinché il gel diventi una struttura solida utilizzabile dai medici, lo stampo deve essere fissato. Chi siamo, la polimerizzazione dell'idrogel viene avviata dalla luce, dalla temperatura, da una variazione del pH o dall'aggiunta di ioni. "Il nostro margine di manovra è molto ristretto", spiega Zenobi-Wong. "Gran parte della sua ricerca è quindi dedicata alla ricerca di biopolimeri adatti e di forme di polimerizzazione rispettose delle cellule".

La terza dimensione come segnale

Una delle prime applicazioni dei trapianti di cartilagine stampata potrebbe essere quella per le lesioni al ginocchio e alla caviglia. I trapianti di cartilagine vengono già eseguiti su pazienti giovani in seguito a lesioni sportive. Si tratta di far crescere le cellule della cartilagine del corpo su strisce di idrogel in laboratorio e di cucirne un pezzo adatto nell'area lesa. Sebbene sia una buona soluzione, non è l'ideale, poiché la crescita bidimensionale delle cellule in laboratorio manca di informazioni spaziali importanti per la successiva funzionalità. Le cellule formano quindi un tessuto simile a una cicatrice anziché una massa cartilaginea. Poiché le cellule e la loro struttura di supporto - la cosiddetta matrice extracellulare - vengono stampate nello stesso passaggio con la biostampante, il loro futuro utilizzo è chiaro fin dall'inizio. Le cellule mantengono così le loro caratteristiche originali e riproducono una nuova cartilagine endogena.

I primi trapianti ottenuti dalla biostampatrice saranno testati quest'anno su pecore o capre. Queste prove su animali di grandi dimensioni sono il prerequisito per le prove cliniche sull'uomo, che apriranno la strada al loro utilizzo nella pratica ospedaliera quotidiana. "Se in futuro vedremo i bioprinters negli ospedali non è tanto una questione tecnica, quanto piuttosto se la tecnologia sarà accettata da medici, pazienti e compagnie assicurative", è convinta Zenobi-Wong. Il suo gruppo di ricerca sta quindi già lavorando a stretto contatto con i medici della Schulthess Klinik.

Cuori dalla stampante?

Dal primo workshop internazionale sulla bioprinting, tenutosi nel 2004, il campo di ricerca è cresciuto continuamente. Attualmente, più di 80 gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno già lavorando su potenziali applicazioni cliniche. E negli Stati Uniti, i primi fornitori commerciali di strutture cellulari stampate per test medici stanno già entrando nel mercato, grazie a numerosi capitali di rischio. Le prime cartilagini stampate e impiantate saranno presto seguite da cuori e reni, come alcuni prevedono? Zenobi-Wong è critico: "Al momento c'è molto clamore sul bioprinting. La produzione di cartilagine è relativamente semplice rispetto a quella degli organi del corpo, che devono essere immediatamente riforniti di sangue e di grandi quantità di ossigeno. Nel caso del cuore, dei polmoni o dei reni, bisognerebbe stampare centinaia di capillari per rifornire l'organo, con un livello di precisione e materialità che probabilmente è ancora lontano dall'essere realizzato. Inoltre, a differenza della cartilagine, le diverse cellule di questi organi devono comunicare tra loro per svolgere tutta una serie di funzioni diverse. "La nostra esperienza risiede nella cartilagine, che è probabilmente il tessuto corporeo più semplice per la bioprinting", afferma Zenobi-Wong. "Ma oggi sappiamo che anche questo è tutt'altro che facile da stampare".