La biostampa tridimensionale (3D) è l’utilizzo della stampa 3D e delle tecniche di stampa 3D per combinare cellule, fattori di crescita e biomateriali per fabbricare parti biomediche che imitano al massimo le caratteristiche del tessuto naturale. In generale, il bioprinting 3D utilizza il metodo strato per strato per depositare materiali conosciuti come bioink per creare strutture simili a tessuti che vengono successivamente utilizzati nei campi dell’ingegneria medica e dei tessuti. La bioprinting copre una vasta gamma di biomateriali.

Attualmente, la biostampa può essere utilizzata per stampare tessuti e organi per aiutare a ricercare farmaci e pillole. Tuttavia, le innovazioni emergenti derivano dal bioprinting di cellule o matrice extracellulare depositate in un gel 3D strato per strato per produrre il tessuto o l’organo desiderato. La recente esplosione della popolarità della stampa 3D testimonia la promessa di questa tecnologia e la sua profonda utilità nella ricerca e nella medicina rigenerativa. Inoltre, il bioprinting 3D ha iniziato a incorporare la stampa di scaffold. Questi scaffold possono essere utilizzati per rigenerare articolazioni e legamenti.

Definizione
La bio-stampa 3D è il processo di creazione di strutture cellulari in uno spazio ristretto utilizzando tecnologie di stampa 3D, in cui la funzione e la vitalità delle celle vengono mantenute nel costrutto stampato. In generale, la bio-stampa 3D utilizza il metodo di stampa strato per strato per depositare materiali a volte denominati bio-resine per creare strutture simili a tessuti biologici naturali che vengono poi utilizzati nei campi dell’ingegneria medica e dei tessuti. 9. La bio-stampa usa un vasta gamma di materiali. Allo stato attuale, la bio-stampa può essere utilizzata per stampare tessuti e organi, in particolare per la ricerca farmaceutica. Il primo brevetto relativo a questa tecnologia è stato depositato negli Stati Uniti nel 2003 e concesso nel 2006.

La bio-stampa è l’interfaccia di molti campi: medicina, ingegneria, informatica, ingegneria genetica, ecc. I tessuti biologici sono costituiti da tessuti duri composti da matrici extracellulari organiche e inorganiche e tessuti molli formati da cellule. La materia cellulare vivente è stampata da cellule staminali. Si deposita in goccioline di inchiostro biologico che formeranno strati successivi e che in sovrapposizione costituiranno un tessuto biologico in tre dimensioni. Per produrre inchiostro biologico, si possono usare le cellule staminali del paziente che crescerà (ci vogliono milioni per creare un millimetro quadrato di tessuto). Le cellule staminali sono sospese in un mezzo specifico che può essere modificato a temperatura ambiente. Il supporto su cui viene stampato il tessuto è un sottile strato di collagene (la proteina più abbondante nel corpo umano, responsabile della coesione del tessuto) che potrebbe essere paragonato alla carta di una stampante tradizionale. Oltre alle cellule e ai biomateriali, il bioprinter deve anche incorporare uno spettro di sostanze biochimiche (per esempio chemochine, fattori di crescita, fattori di adesione o proteine ​​di segnalazione) per promuovere un ambiente di sopravvivenza, motilità e differenziazione cellulare.

Diverse fasi possono essere distinte quando si stampa un tessuto con la bio-stampa 3D. Questi tre passaggi tecnologici sequenziali sono pretrattamento, elaborazione (stampa) e post-elaborazione:
Il design è più o meno identico ai tessuti originali e quindi il design del computer del modello che definirà come le cellule staminali saranno stampate strato per strato in base alle caratteristiche espresse nel primo passaggio. Questo passaggio è abbinato al terzo passo che consiste nel programmare la stampante tramite un software specializzato che tradurrà le azioni da eseguire nel linguaggio della stampante. Questi due passaggi sono simili a quelli da eseguire per progettare un oggetto da una stampante 3D di plastica.
La stampa automatica del tessuto da parte della stampante che differisce in base alla tecnologia utilizzata.

Due parametri chiave nella bio-stampa sono la densità e la risoluzione. La densità delle cellule è quella dell’inchiostro biologico. Se è troppo basso, la fase finale non sarà ben eseguita e il tessuto non sarà praticabile. La risoluzione è la precisione con cui le celle verranno posizionate dalla stampante. Se la precisione non è ottimale, la struttura predefinita delle celle non verrà rispettata e il tessuto non avrà la forma corretta, evitando allo stesso tempo il buon progresso della fase finale di sviluppo delle cellule.

L’ultimo passo è la maturazione dei tessuti stampati. Questa è la fase in cui le cellule assemblate si evolveranno e interagiranno insieme per formare un tessuto coerente e vitale. Durante il processo di post-stampa all’interno di un bioreattore i tessuti subiscono una rapida maturazione, compreso lo sviluppo di vascolarizzazione e innervazione multilivello che aumentano la resistenza e l’integrità meccanica dei tessuti per il trapianto. Collocato in un’incubazione, i tessuti si sviluppano per formare un tessuto coerente. Questa fase inizia circa 48 ore dopo la stampa e può durare diverse settimane a seconda delle dimensioni del tessuto. Con la fase di maturazione, possiamo parlare della stampa 4D perché la dimensione temporale dopo la stampa è essenziale.

I bioreattori funzionano fornendo un ambiente favorevole allo sviluppo dei tessuti fornendo nutrienti convettivi, creando un ambiente di microgravità e promuovendo la circolazione della soluzione nelle cellule. Esistono diversi tipi di bioreattori adatti a diversi tipi di tessuto, ad esempio i bioreattori a compressione sono ideali per il tessuto cartilagineo.

tecnologie
La stampa 3D per la produzione di organi artificiali è diventata uno dei principali argomenti di studio nell’ingegneria biologica. Poiché le tecniche di produzione di stampa 3D diventano sempre più efficienti, la loro applicabilità nella sintesi di organi artificiali è diventata più evidente. I principali vantaggi della stampa 3D sono la capacità di produzione di massa di strutture complesse personalizzabili e l’elevato grado di precisione anatomica ottenuto. La bio-stampa 3D offre una versatilità senza precedenti nel posizionamento di celle e biomateriali con un controllo preciso sulle loro composizioni, distribuzioni spaziali e accuratezza architettonica, consentendo una ricostruzione dettagliata o persino personalizzata della forma finale, della struttura, della microstruttura e dell’architettura di tessuti e organi stampati.

Rispetto alla stampa 3D non biologica, la bio-stampa 3D induce ulteriori livelli di complessità, come la scelta dei materiali, il tipo di cellula, i fattori di crescita e differenziazione e le sfide tecniche legate alla sensibilità cellulare. costruzione di vita e tessuto.

La stampa di organi mediante la stampa 3D può essere eseguita utilizzando una varietà di tecniche, ciascuna con specifici benefici che possono essere adattati a specifici tipi di produzione di organi.

L’approccio tradizionale dell’ingegneria tissutale consisteva nel seminare cellule su uno scaffold a matrice, ovvero una solida struttura di supporto comprendente una rete di pori interconnessa. Questa struttura deve mantenere la forma e le proprietà meccaniche del tessuto sintetizzato e assistere l’attaccamento cellulare fornendo un substrato per la proliferazione cellulare. La tecnologia di stampa 3D è una recente innovazione che consente la semina simultanea di cellule viventi e la creazione della struttura dei biomateriali a strati.

Le tre più popolari tecnologie di bio-stampa 3D sono la tecnologia di stampa laser, la tecnologia di micro estrusione e la tecnologia a getto d’inchiostro. Oltre a queste tecnologie, un team di ricercatori a Cambridge sta sviluppando una stampante acustica in cui le onde vibrano la bioenergia, il che causerà l’espulsione delle goccioline con la precisione delle dimensioni di una cella. Oggi, su internet, puoi trovare spiegazioni su come realizzare la tua bio-stampante da una stampante da ufficio tipo HP come presentata sul sito TeVido BioDevices.

Ogni tecnologia presenta vantaggi e svantaggi per la stampa dell’ingegneria e dell’organo dei tessuti biologici duri. I tessuti duri del corpo umano includono ossa, denti e cartilagine e sono costituiti da alcuni tipi di singole cellule e una proporzione significativa di matrici extracellulari organiche e inorganiche.

Stampa laser
Quest’ultima tecnologia ha richiesto 10 anni di ricerca presso l’INSERM di Bordeaux. Questa tecnica funziona sul principio del laser. Un laser è diretto per mezzo di uno specchio, passa attraverso una lente, quindi mette a fuoco, colpisce un vetrino su cui è posto un film di inchiostro biologico. Durante l’interazione laser / cartuccia rilasciano micro gocce contenenti cellule in piccoli numeri sul supporto con una precisione di 5 micron. La stampa è abbastanza veloce. Gli esperimenti hanno persino dimostrato che funziona sui topi, grazie a un’impressione in vivo (direttamente sulla pelle di un essere vivente). I modelli della cella sono ottenuti mediante scansione laser a 10.000 impulsi al secondo, ogni impulso genera una micro goccia. Questa tecnologia è l’unica con una risoluzione di unità (cella per cella) fino a 50 celle per micro goccia. Questa precisione consente di riprodurre tessuti biologici complessi in 3 dimensioni, ad esempio campioni di pelle.

La stampa laser combina risoluzione e densità (circa 108 cellule / ml di inchiostro biologico) con molteplici vantaggi. Tre dei vantaggi della bio-stampa laser sono oltre il 95% di vitalità cellulare, scarti ridotti e assenza di stress meccanico. Ciò è dovuto alla brevità degli impulsi, pochi nanosecondi, che riducono al minimo il riscaldamento cellulare e riducono il loro “stress”. Tuttavia, la vitalità dei tessuti stampati dipende dalle sollecitazioni esercitate sulle cellule. È importante che le cellule siano le meno “degradate” possibili.

Tuttavia, alcuni fattori restano da migliorare perché la macchina non impila ancora molti strati di celle in modo ben organizzato, il tempo di preparazione è elevato e anche il costo della stampa.

a getto d’inchiostro
Questa tecnologia è utilizzata in particolare nelle stampanti Tedivo Biodevices DIY. È questa tecnologia che lavora presso l’Università di Manchester in Inghilterra. La stampante a getto d’inchiostro funziona con una testina di stampa che proietta micro gocce di un liquido contenente cellule (il bio-inchiostro). L’espulsione delle goccioline è causata da un processo termico (calore) o piezoelettrico (polarizzazione elettrica dell’inchiostro sotto l’azione di una sollecitazione meccanica). L’inchiostro è liquido a 20 ° ma gelifica a una temperatura di 36 °. Questo processo è il più simile a quello delle stampanti 3D in plastica.

Questa tecnologia è la più economica e facile da usare con tempi di preparazione minimi e costi contenuti. Il tempo di stampa è basso e la vitalità delle celle è superiore all’85% ma la risoluzione è scarsa, con conseguente sviluppo di celle povere. Inoltre, la densità è anche un parametro difficile da gestire, spesso troppo bassa o molto bassa (circa 106 cellule / ml, 100 volte inferiore a quella della stampante laser). Questi svantaggi lo rendono al momento inadatto per la stampa di tessuti complessi, serve solo per stampare modelli grazie alle celle da stampare.

Micro-estrusione
La microestrusione (chiamata anche bioestrusione) è l’unico metodo che è stato industrializzato dalla società statunitense Organovo con la sua stampante Novogen MMX, sviluppata in collaborazione con l’Università del Missouri e sviluppo nel 2005.

Questa stampante funziona con due testine di stampa. Uno deposita il gel e l’altro le cellule. Le cellule vengono spinte in una micro siringa e depositate usando un ago. Gli strati sono alternativamente depositati, uno strato di idrogel (miscela di acqua) seguito da uno strato di cellule. L’idrogel viene utilizzato per strutturare l’assemblaggio di strati cellulari, in modo simile all’impalcatura. L’idrogelide si è quindi sciolto durante la fase di maturazione, permettendo alle cellule di fondersi insieme. La bioestrusione consente di ottenere una densità elevata ma con una risoluzione media (da 5 micrometri a pochi millimetri). Il tempo di preparazione è medio rispetto ad altre tecniche ma con un tempo di stampa più elevato (molto lento). Il costo di questo tipo di stampante è medio e la redditività (capacità di “sopravvivere” dopo la stampa e durante la fase di maturazione) delle celle è tra il 40 e l’80%, questa percentuale è bassa rispetto ad altre tecnologie e questo aspetto rimane da migliorata.

Tecniche ibride
Queste tecnologie oggi hanno possibilità limitate, ma alcuni ricercatori stanno esaminando “stampanti ibride”. Questa tecnica rimane in fase di test, ma negli Stati Uniti i ricercatori sono riusciti ad accoppiare la stampa cellulare e la deposizione di polimeri biodegradabili (sostanza composta da molecole caratterizzate dalla ripetizione di uno o più atomi o gruppi di atomi, che possono essere naturali, sintetici o artificiale) che forma la cartilagine.

Bioprinters
Ci sono diversi bioprinters sul mercato. I prezzi vanno da $ 10.000 per BioBot 1 a $ 200.000 per il 3D-Bioplotter di EnvisionTec. La bio-stampante Aether 1 dovrebbe essere commercializzata dal 2017 al prezzo di 9.000 USD. In pratica, i ricercatori spesso sviluppano le proprie bio-stampanti sperimentali.

Processi
Il bioprinting in 3D segue in genere tre passaggi, pre-bioprinting, bioprinting e post-bioprinting.

Pre-bioprinting
Pre-bioprinting è il processo di creazione di un modello che la stampante in seguito creerà e sceglierà i materiali che verranno utilizzati. Uno dei primi passi è quello di ottenere una biopsia dell’organo. Le tecnologie comuni utilizzate per la bioprinting sono la tomografia computerizzata (TC) e la risonanza magnetica (MRI). Per stampare con un approccio layer-by-layer, la ricostruzione tomografica viene eseguita sulle immagini. Le immagini ora 2D vengono quindi inviate alla stampante da realizzare. Una volta creata l’immagine, alcune celle vengono isolate e moltiplicate. Queste cellule vengono poi mescolate con uno speciale materiale liquefatto che fornisce ossigeno e altri nutrienti per mantenerli in vita. In alcuni processi, le cellule sono incapsulate in sferoidi cellulari di 500 μm di diametro. Questa aggregazione di cellule non richiede uno scaffold e è richiesta per il posizionamento nella fusione del tessuto tubulare per processi come l’estrusione.

Bioprinting
Nella seconda fase, la miscela liquida di cellule, matrice e sostanze nutritive nota come bioink viene inserita in una cartuccia della stampante e depositata utilizzando le scansioni mediche dei pazienti. Quando un pre-tessuto bioprintato viene trasferito in un incubatore, questo pre-tessuto a base di cellule matura in un tessuto.

La biostampa 3D per la fabbricazione di costrutti biologici di solito comporta l’erogazione di cellule su uno scaffold biocompatibile usando un approccio strato dopo strato per generare strutture tridimensionali simili a tessuti. Gli organi artificiali come i fegati ei reni realizzati con il bioprinting 3D hanno dimostrato di non avere elementi cruciali che influenzano il corpo come il funzionamento dei vasi sanguigni, i tubuli per la raccolta delle urine e la crescita di miliardi di cellule necessarie per questi organi. Senza questi componenti il ​​corpo non ha modo di ottenere i nutrienti e l’ossigeno essenziali all’interno dei loro interni. Dato che ogni tessuto del corpo è composto naturalmente da diversi tipi di cellule, molte tecnologie per stampare queste cellule variano nella loro capacità di assicurare stabilità e vitalità delle cellule durante il processo di produzione. Alcuni dei metodi utilizzati per il bioprinting 3D delle cellule sono fotolitografia, bioprinting magnetico, stereolitografia e estrusione diretta delle cellule.

Post-bioprinting
Il processo post-bioprinting è necessario per creare una struttura stabile dal materiale biologico. Se questo processo non è ben mantenuto, l’integrità meccanica e la funzione dell’oggetto stampato 3D sono a rischio. Per mantenere l’oggetto sono necessarie sia stimolazioni meccaniche che chimiche. Queste stimolazioni inviano segnali alle cellule per controllare il rimodellamento e la crescita dei tessuti. Inoltre, nello sviluppo recente, le tecnologie dei bioreattori hanno permesso la rapida maturazione dei tessuti, la vascolarizzazione dei tessuti e la capacità di sopravvivere ai trapianti.

I bioreattori funzionano sia fornendo il trasporto convettivo dei nutrienti, creando ambienti di microgravità, cambiando la pressione che causa la soluzione al flusso attraverso le cellule, o aggiungendo compressione per il carico dinamico o statico. Ogni tipo di bioreattore è ideale per diversi tipi di tessuto, ad esempio i bioreattori a compressione sono ideali per il tessuto cartilagineo.

Approccio alla bioprinting
I ricercatori sul campo hanno sviluppato approcci per produrre organi viventi costruiti con le proprietà biologiche e meccaniche appropriate. Il bioprinting 3D si basa su tre approcci principali: biomimetica, autoassemblaggio autonomo e blocchi di costruzione di mini-tessuti.

biomimicry
Il primo approccio alla biostampa è chiamato biomimetica. L’obiettivo principale di questo approccio è creare strutture fabbricate che siano identiche alla struttura naturale che si trova nei tessuti e negli organi del corpo umano. La biomimetica richiede la duplicazione della forma, della struttura e del microambiente degli organi e dei tessuti. L’applicazione della biomimetica alla biostampa comporta la creazione di parti cellulari ed extracellulari identiche. Perché questo approccio abbia successo, i tessuti devono essere replicati su una scala micro. Pertanto, è necessario comprendere il microambiente, la natura delle forze biologiche in questo microambiente, l’organizzazione precisa dei tipi cellulari funzionali e di supporto, i fattori di solubilità e la composizione della matrice extracellulare.

Auto-assemblaggio autonomo
Il secondo approccio alla biostampa è l’autoassemblaggio autonomo. Questo approccio si basa sul processo fisico dello sviluppo dell’organo embrionale come modello per replicare i tessuti di interesse. Quando le cellule sono nel loro sviluppo iniziale, creano il proprio blocco di matrice extracellulare, la corretta segnalazione cellulare e la disposizione e la configurazione indipendenti per fornire le funzioni biologiche e la microarchitettura richieste. L’autoassemblaggio autonomo richiede informazioni specifiche sulle tecniche di sviluppo dei tessuti e degli organi dell’embrione. Esiste un modello “senza scaffold” che utilizza sferoidi autoassemblanti soggetti alla fusione e alla disposizione delle cellule per assomigliare ai tessuti in evoluzione. L’autoassemblaggio autonomo dipende dalla cellula come driver fondamentale dell’istogenesi, guidando gli elementi costitutivi, le proprietà strutturali e funzionali di questi tessuti. Richiede una comprensione più profonda di come si sviluppano i meccanismi embrionali dei tessuti e del microambiente circondato per creare i tessuti biopressi.

Mini-tessuti
Il terzo approccio di bioprinting è una combinazione di entrambi gli approcci di biomimetica e autoassemblaggio, che si chiama mini-tessuti. Organi e tessuti sono costruiti con componenti funzionali molto piccoli. L’approccio mini-tessuto prende questi piccoli pezzi e li produce e li organizza in un quadro più ampio.

stampanti
Come le comuni stampanti a inchiostro, i bioprinters hanno tre componenti principali. Questi sono l’hardware utilizzato, il tipo di bioinchiostro e il materiale su cui è stampato (biomateriali). “Il bio-inchiostro è un materiale fatto da cellule viventi che si comporta molto come un liquido, consentendo alle persone di” stamparlo “per creare una forma desiderata.Per fare bio-inchiostro, gli scienziati creano un impasto di cellule che possono essere caricate in una cartuccia e inserita in una stampante appositamente progettata, insieme a un’altra cartuccia contenente un gel noto come bio-carta. ”

Nel bioprinting, sono stati utilizzati tre tipi principali di stampanti. Si tratta di stampanti a getto d’inchiostro, laser-assistite e estrusione. Le stampanti a getto d’inchiostro vengono utilizzate principalmente per la stampa su carta per prodotti veloci e di grandi dimensioni. Un tipo di stampante a getto d’inchiostro, chiamata stampante a getto d’inchiostro drop-on-demand, stampa i materiali in quantità esatte, riducendo al minimo costi e sprechi. Le stampanti che utilizzano i laser forniscono una stampa ad alta risoluzione; tuttavia, queste stampanti sono spesso costose. Le stampanti per estrusione stampano le celle strato per livello, proprio come la stampa 3D per creare costrutti 3D. Oltre alle sole celle, le stampanti per estrusione possono utilizzare anche idrogel infuso con cellule.

Applicazione
Il campo della medicina rigenerativa ha fatto notevoli progressi negli ultimi decenni nella sua capacità di produrre sostituti funzionali per i tessuti biologici. Sebbene per oltre un decennio le cellule viventi e i biomateriali (di solito idrogel) siano stati stampati mediante la bio-stampa, 29 approcci convenzionali basati su matrici extracellulari e microingegneria rimangono limitati nella loro capacità di produrre tessuti con precise proprietà biomimetiche.

Nel 2013, Organovo ha prodotto un fegato umano attraverso tecniche di bio-stampa. Il corpo, tuttavia, non era adatto per il trapianto ed era principalmente usato come mezzo di screening per i farmaci 30.

Uso della bio-stampa nel 2017
La bioprinting consente già di creare strutture viventi. La materia vivente cellulare è stampata in molti laboratori in tutto il mondo, i tessuti cellulari sono vitali e la bio-stampa non influenza la differenziazione cellulare. Alcune delle tecnologie sono state applicate a trattamenti medici con un certo successo. La bio-stampa 3D è già stata utilizzata per la produzione e il trapianto di diversi tessuti, tra cui pelle multistrato, ossa, innesti vascolari, protesi tracheali, tessuti cardiaci e strutture cartilaginee.

La stampa di organi complessi è oggetto di intense ricerche in tutto il mondo. Ad esempio per cuore, pancreas, fegato o reni. A partire dal 2017, questa ricerca non ha ancora portato al trapianto.

Nel maggio 2017, i ricercatori hanno utilizzato la bioimpressione per produrre ovaie di topo. I topi sterili impiantati con l’ovaio artificiale erano in grado di ovulare, somministrare e nutrire topi neonati normalmente sani. Lo studio è il primo a ottenere questo risultato con l’aiuto della stampa 3D.

Attuali progressi per la pelle.
I ricercatori sono riusciti a stampare diverse strutture e tipi di cellule: multistrati di cheratinociti (cellule dello strato superficiale della pelle e escrescenze superficiali del corpo: unghie, capelli, capelli) e collagene.

Nel 2010, il laboratorio di Bordeaux è riuscito a stampare le cellule ossee (per rinnovare e consolidare il tessuto osseo) direttamente sul cranio di un topo vivente con un piccolo foro. Nel caso di stampa diretta sul paziente parliamo di stampa in vivo. I ricercatori hanno utilizzato lo stesso principio per stampare una parte ossea e una parte della pelle rimuovendo le cellule mesenchimali stampate successivamente. Le cellule mesenchimali possono produrre diversi tipi di cellule appartenenti ai tessuti scheletrici, come cartilagine, ossa e grasso. Si trovano nel mesenchima dell’embrione e in piccolissime quantità nell’adulto. Il dottor Fabien Guillemot ha commentato i primi test sui topi: “I risultati ottenuti sono molto convincenti: le cellule stampate hanno mantenuto tutte le loro funzioni e si sono moltiplicate fino a due mesi dopo la stampa.I primi soggetti hanno mostrato segni di guarigione. Germania: il tessuto ripara la ferita dell’animale senza alcun rifiuto.

La compagnia americana Organovo commercializza campioni di pelle stampata per la ricerca medica. Questi tessuti organici funzionali sono utilizzati dalle aziende farmaceutiche per testare gli effetti dei trattamenti e il loro impatto sulle malattie. La società sta anche stampando modelli di tessuto malato per capire meglio le malattie e la loro evoluzione. L’obiettivo è anche quello di testare l’efficacia delle molecole del farmaco e ridurre il costo delle sperimentazioni cliniche. Grandi gruppi cosmetici utilizzano anche campioni per valutare la tossicità delle cure prima della commercializzazione e per trovare un’alternativa ai test sugli animali che sono stati banditi in Europa dal 2013.

Attuali progressi per gli organi vitali
Nuove tecniche sono state sviluppate per superare il problema della vascolarizzazione dei tessuti stampati. Una tecnica stampa, ad esempio, tessuti molli contenenti collagene e altre fibre biologiche in un contenitore di idrogel. Il tessuto stampato viene quindi recuperato fondendo il supporto senza danneggiare le cellule e la struttura. Seguendo questo principio, i modelli di femore, arterie coronarie, vasi sanguigni e un cuore embrionale sono già stati stampati con successo. Questi tessuti cellulari sono necessari per ossigenare gli organi ma non sono ancora stati testati sull’uomo e non consentono una completa vascolarizzazione di organi come il fegato, i polmoni o il cuore.

Grazie ai progressi nel campo della vascolarizzazione, ora è possibile creare organi in miniatura. Organovo, ad esempio, ha sperimentato la stampa di vari tipi di tessuti complessi come pezzi di muscolo polmonare e cardiaco. È riuscita a creare un pezzo di rene (1 mm di spessore per 4 mm di larghezza) che è sopravvissuto a 5 giorni dal laboratorio. Hanno anche creato un fegato umano ricostituito che è rimasto funzionante per 40 giorni. Questo campione di fegato (3 mm 2 per 0,5 mm di spessore) è stato in grado di produrre enzimi, proteine ​​e colesterolo. Questo si moltiplica per la vita dell’organo attraverso gli scambi che possono essersi verificati. Allo stesso modo, i ricercatori cinesi sviluppano reni la cui durata è attualmente limitata a 4 mesi.

“Abbiamo bisogno di continuare la ricerca e raccogliere più informazioni, ma il fatto che il tessuto si comporti come un fegato suggerisce che continuerà a comportarsi come tale quando inizierà a essere testato con i farmaci”, afferma Keith Murphy, CEO di Organovo. commercializza di recente tessuto epatico che rimane funzionante per almeno 42 giorni.Questi campioni di organi sono destinati alla ricerca medica, ma ad oggi nessuna di queste parti è stata ancora integrata con organismi viventi.

Nell’ottobre 2016, i ricercatori di Harvard hanno stampato in bio-stampa il primo cuore on-chip al mondo con sensori integrati. Il dispositivo, che è un sistema micro-fisiologico, imita il comportamento del tessuto umano. Questo completamento è l’organo-su-chip più sofisticato, anche in confronto ai polmoni, alle lingue e agli intestini su chip prodotti anche da questo team. Lo sviluppo di questa applicazione organo-su-chip bio-stampata potrebbe ridurre la dipendenza della ricerca medica sui test sugli animali.

Altri corpi
I ricercatori dell’Università di Cambridge, in Inghilterra, hanno annunciato la loro capacità di ricreare le cellule nervose nella retina di un topo attraverso una bio-stampante. La stampante è in grado di associare cartucce cellulari gangliari e cartucce a cellule gliali da cellule staminali di ratto. Questo trapianto ha permesso a un animale di recuperare gran parte della sua acuità visiva eliminando il rischio di rigetto. E nell’aprile 2013, gli scienziati della Princeton University hanno fatto l’impressione di un orecchio bionico: combina cellule organiche e nanoparticelle con un’antenna modellata sulla cartilagine. L’orecchio così prodotto può sentire le frequenze radio inudibili con un orecchio umano naturale.

Gli scienziati della Columbia University stanno lavorando alla creazione di denti e articolazioni bio-stampati. Questo team, ad esempio, ha impiantato un incisivo creato da una struttura 3D stampata nella mascella di un topo. In due mesi, l’impianto ha permesso la crescita dei legamenti che supportano i denti e le ossa appena formati. Il team di ricerca ha anche impiantato ossa di anca stampate su conigli, che hanno iniziato a camminare con le loro nuove articolazioni dopo alcune settimane.

Le sfide
Sebbene siano stati fatti passi avanti nella produzione di organi stampabili, l’implementazione clinica, in particolare per quanto riguarda gli organi complessi, richiede ulteriori ricerche e sviluppi. La proliferazione cellulare richiesta per la stampa biologica è condotta in un ambiente artificiale e controllato privo di marcatori e processi biologici naturali. L’assenza di queste proprietà spesso inibisce lo sviluppo di morfologia e differenziazione cellulare appropriate. Quando presenti, queste condizioni consentirebbero all’organo stampato di imitare le condizioni in vivo in modo più preciso e di adottare una struttura e un funzionamento adeguato contrariamente a una crescita biologica concepita come un semplice impalcatura formato da cellule 34. Alcune delle sfide tecniche da affrontare risolto includono:

La vascolarizzazione: mentre è possibile creare tessuti cellulari di base come la pelle 35, ad esempio, è impossibile creare organi complessi. In effetti, gli scienziati non possono ricreare i vasi sanguigni come i capillari perché sono lunghi, sottili e tubolari e la precisione delle stampanti è troppo bassa. L’impressione di qualsiasi organo è quindi impossibile perché le cellule non verrebbero alimentate con ossigeno e glucosio e morirebbero molto rapidamente. Inoltre, il tessuto cutaneo della pelle stampato fino ad ora non è vascolarizzato e quindi non adatto per l’innesto. I tessuti cellulari devono essere vascolarizzati non appena il loro spessore supera i 400 micron.
Il sistema nervoso: il sistema nervoso presenta una grande complessità. Senza i nervi, i muscoli creati non possono essere azionati e non possono essere innestati.
Le cellule pluripotenti: la bio-stampa richiede una grande quantità di cellule pluripotenti.
Il tempo di sopravvivenza delle celle stampate: per ora, i tessuti stampati non vivono molto a lungo perché non sono nel loro ambiente naturale. Ad esempio, la società Organovo è riuscita a stampare un rene in miniatura di 4 mm per 1 mm ma è rimasto in vita solo per 5 giorni.
Il prezzo: il costo delle stampanti biologiche funzionali di fascia alta rimane molto costoso, quindi difficilmente possono essere acquisiti da piccoli laboratori di ricerca o ospedali. In effetti, una stampante biologica costa diverse centinaia di migliaia di euro.
La complessa organizzazione degli organi: ad esempio, un rene è costituito da un milione di nefroni che forniscono la filtrazione del sangue e la produzione di urina. Ogni nefrone è costituito da più subunità come i glomeruli stessi costituiti da quattro tipi di cellule … Questa organizzazione è molto complessa da stampare strato per strato.
La gravità: anche con la più alta tecnica biologica nota per la stampa, gli scienziati sono costretti a stampare i tessuti strato dopo strato a causa della gravità, il che complica notevolmente la formazione di corpi di grandi dimensioni che collasserebbero sotto il loro stesso peso e deformerebbero le strutture molecolari.
Conoscenza scientifica: questo è probabilmente il più grande ostacolo allo sviluppo e alla stampa di organi complessi. La mancanza di conoscenza globale sul corpo umano è avvertita in diverse aree come il sistema nervoso o la morfogenesi del corpo.

Recenti sviluppi

vascolarizzazione
Nell’aprile 2017, un gruppo di ricerca dell’Università della California è riuscito a produrre tessuti vascolarizzati con microarchitetture tridimensionali complesse utilizzando il cosiddetto metodo di bio-impronta “microscopica a impronta ottica continua” (μCOB). L’impianto in vivo dei tessuti stampati ha dimostrato la sopravvivenza e la progressiva formazione della rete endoteliale nel tessuto prevascolarizzato.

Gravità
Gli scienziati sono costretti a stampare organi e tessuti delle cellule in strati successivi di cellule a causa della gravità. Secondo loro, se si stampano gli organi in pseudo stato di assenza di peso, ad esempio per mezzo di un campo magnetico, le celle potrebbero essere posizionate correttamente e senza deformazioni.

Il professor Vladimir Mironov e il suo team di ricercatori hanno raggiunto accordi per i test da effettuare a bordo della Stazione spaziale internazionale.

Per contrastare questo fenomeno di gravità, il team del professor Adam Feinbergon ha avuto l’idea di depositare le cellule in un cubo di Hydrogel (cubo gelatinoso a base d’acqua). Le cellule così depositate rimangono in sospensione nell’idrogel che dà loro il tempo di creare sufficienti connessioni cellulari in modo che l’organo creato non si deformi. Il gel si scioglie in acqua a temperatura corporea (37 ° C). Una volta stabilite le connessioni, è sufficiente immergere il cubo di idrogel in acqua a 37 ° C per recuperare l’organo formato intatto.

Organizzazione complessa
Guidato da Fabien Guillemot, il team di ricercatori dell’INSERM Bordeaux si propone di ricreare un rene funzionale. Per questo, hanno deciso di non stamparlo strato per strato, ma pezzo per pezzo [precisione necessaria]. Indeed, the complex organization of the kidney making it impossible to print layer by layer, the team of INSERM first wants to create glomeruli which could then be assembled to make nephrons, themselves assembled to make a functional kidney.

Pluripotent cells
In 2012, Japanese researcher Shinya Yamanaka successfully created functional pluripotent stem cells from differentiated cells such as skin cells. Indeed, after 7 years of research and testing on mice, the Japanese researcher discovered that by taking the genes that encode the non-differentiation of pluripotent stem cells and placing them in the genetic makeup of the differentiated cell, this last becomes pluripotent. This discovery earned him the Nobel Prize in Medicine. As a result, it is possible to create a pluripotent stem cell culture specific to an individual without even a bone marrow sample.

These differentiated cells reprogrammed into stem cells are designated as iPS cells of the English induced pluripotent stem cells or pluripotent stem cells induced in French.