Impatto della bio-stampa

La bio-stampa è un’applicazione biomedica della produzione additiva di processi per la produzione di tessuti biologici artificiali. La bio-stampa può essere definita come la strutturazione spaziale di cellule viventi e altri prodotti biologici impilandoli e assemblandoli usando un metodo di deposizione assistita da uno strato per strato per sviluppare tessuti e organi viventi per ingegneria tissutale, medicina rigenerativa, farmacocinetica e altro generalmente ricerca biologia. Questa è una recente innovazione che posiziona simultaneamente le cellule viventi e i biomateriali “layer-by-layer “per produrre tessuto vivente. Il principale utilizzo di organi stampati è il trapianto. La ricerca è attualmente condotta su strutture artificiali del cuore, reni, fegato e altri organi vitali. Per organi più complessi come il cuore, sono stati studiati anche costrutti più piccoli come le valvole cardiache. Alcuni organi stampati hanno già raggiunto l’implementazione clinica, ma coinvolgono principalmente strutture cave come la vescica e le strutture vascolari.

Storia
Nel 1938 Alexis Carrell, premio Nobel per la medicina, e Charles Lindbergh, pioniere dell’aviazione e appassionato inventore, proposero di coltivare organi. E dobbiamo aspettare la comparsa della medicina rigenerativa che cerca di sostituire le cellule danneggiate del corpo umano con organi sani per vedere apparire primi trapianti. Tuttavia, il rischio di rigetto da parte del paziente è importante e richiede precauzioni da parte della professione medica.

Questo è il 21 ° secolo che la tecnologia della bio-stampa. Consente la produzione personalizzata di tessuti o organi con le cellule del paziente, riducendo così al minimo il rischio di rigetto. Consiste in un insieme di costituenti di tessuti biologici (cellule) predefiniti dal progetto digitale. L’obiettivo è cercare di riprodurre l’organizzazione tridimensionale delle cellule come fatto naturalmente dal corpo umano. Questa tecnologia utilizza il principio strato per livello della stampa 3D. La bio-stampa è definita come una tecnologia dirompente perché deriva dal raggruppamento di conoscenze in fisica, biologia, meccanica e informatica. Le applicazioni sono oggi limitate a causa della recente scoperta di questa tecnologia, ma a lungo termine, le applicazioni previste sono molte e innovative.

La stampa di organi 3D è stata utilizzata per la prima volta nel 2003 da Thomas Boland della Clemson University che ha brevettato l’uso della stampa a getto d’inchiostro per le celle. Il metodo utilizzava un sistema modificato per la deposizione di cellule in matrici tridimensionali poste su un substrato.

Sin dai primi esperimenti di Boland, si è sviluppata la stampa 3D di strutture biologiche, nota anche come bioprinting. Sono state sviluppate nuove tecniche di stampa, ad esempio la stampa per estrusione.

La stampa di organi è stata rapidamente vista come una potenziale soluzione alla carenza globale di organi per il trapianto. Gli organi stampati sono già stati trapiantati con successo. In particolare, tessuti come la pelle, il tessuto vascolare, come i vasi sanguigni o gli organi cavi, come la vescica. Gli organi artificiali sono spesso costituiti dalle cellule del ricevente, che elimina i problemi legati ai rischi di rigetto.

La stampa di organi più 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.

Funzionalità
Un bioprinter funziona in modo simile a una stampante 3D basata sul processo FDM. Un estrusore costruisce stampi dal tessuto, in questo caso non termoplastico come ABS, ma un gel polimerico, per. B. su base alginata, con cellule viventi incapsulate. Organovos Bioprinter rilascia gocce utilizzando un’altra tecnologia promettente, ciascuno contenente da 10.000 a 30.000 singole cellule. Questi verranno in seguito stimolati da opportuni fattori di crescita anche nelle strutture funzionali dei tessuti.

I bioprinters hanno componenti speciali, come la regolazione della temperatura, che è molto importante per una corretta stampa.

Uso medico
Per scopi medici, i bioprinters (nel campo sperimentale) sono noti dal 2000. Ancora oggi non è ancora possibile sperimentalmente stampare organi costituiti da diversi tipi di tessuto. La ricerca tende ad essere più nella direzione di costruire aggregazioni di cellule relativamente grossolane attraverso il processo di stampa, che poi “matura” in organi attraverso l’autoassemblaggio biologico. Un problema importante è, ad esempio, la generazione di un sistema funzionante dei vasi sanguigni.

Tuttavia, sembra del tutto immaginabile che bioprintessori o organi creati con loro possano un giorno sostituire gli organi dei donatori. Un vantaggio degli organi bioprinter è la messa a punto precisa del corpo desiderato. Per gli organi dei donatori è necessario attendere che sia disponibile un organo che si adatti al meglio. Che un organo di donatore sia disponibile, tuttavia, è generalmente improbabile. Il “tempo di pressione” di un organo artificiale che dura diverse ore può essere una barriera nelle lesioni da incidente acuto. I trapianti che vengono stampati con una normale stampante 3D e fatti di metallo o di plastica non sono considerati bioprinting perché non vengono utilizzate cellule. Frammenti d’osso più piccoli o protesi dentarie a base di fosfato di calcio sono già stati prodotti nel processo di stampa 3D. Tuttavia, è consuetudine utilizzare il materiale di bovini appositamente allevati per le ossa.

Biologia sintetica
Nella biologia sintetica, i bioprinters potevano essere usati per stampare nuove forme di vita. Un risultato sensazionale nella biologia sintetica era un “medusoide”, una “medusa” artificiale di cellule muscolari di silicone e topo che poteva nuotare. Tuttavia, questo non è stato generato solo da un Bioprinter.

Industria alimentare
Inoltre, per produrre alimenti come la carne, i bioprinters potrebbero essere utilizzati su vasta scala. Secondo la compagnia, Modern Meadow ha già stampato delle gustose carni, che sono state prodotte con meno sforzo rispetto al bestiame e al macello. La compagnia vuole porre fine al macello. Attualmente, nessuna carne “stampata” è commercialmente disponibile, anche se ciò sarebbe già possibile in termini di sapore e salute. Il professor Stampfl dell’Istituto di scienza e tecnologia dei materiali dell’Università di Tecnologia di Vienna ha stimato che nel 2013 il costo di un pezzo di carne stampato sarebbe stato di almeno 50.000 euro.

La satira di una tale industria alimentare è già stata presentata nel film “Brust oder Keule” nel 1976, in cui Louis de Funès svolge il ruolo di protagonista e invade segretamente una fabbrica in cui, ad esempio, il pollo viene prodotto artificialmente.

prospettiva
Nel 2017, i risultati della stampante biologica rimangono limitati, gli scienziati cercano di migliorare e sviluppare le tecnologie esistenti. L’ipotesi di una tecnologia di bio-stampa funzionale offrirebbe molte prospettive di applicazione.

Trapianto
L’obiettivo principale rimane l’innesto chirurgico. La stampa di organi dalle cellule del ricevente aiuta anche ad evitare il rischio di rigetto. Ciò potrebbe salvare migliaia di vite, ridurre il costo delle cure mediche e soddisfare richieste di organi in costante aumento. Va notato che il numero di richiedenti di organi è quasi raddoppiato tra il 2006 (12.531 richiedenti) e il 2014 (20.311). Ma ci vuole tempo ed esperienza per arrivarci perché devi creare una vascolarizzazione complessa per ossigenare e nutrire l’organo. E attualmente, è difficile ricostituire i vasi sanguigni complessi. Inoltre, gli organi creati sono validi solo per un periodo limitato e sono per il momento di dimensioni minuscole. Sono quindi inutilizzabili negli esseri umani. Per creare e rispondere alla carenza di organi attenderete quindi ancora qualche anno.

L’obiettivo della stampa della pelle è particolarmente in grado di trattare grandi bruciature creando tessuti adattati alla ferita del paziente 38. Attualmente, i trapianti vengono eseguiti rimuovendo il tessuto non danneggiato dal corpo del paziente (autotrapianto) o utilizzando donazioni di pelle. Questa operazione è spesso dolorosa o sanzionata dal rifiuto del sistema immunitario. Secondo Marc Jeschke: “Il 90% delle ustioni si verifica nel reddito medio-basso, con una maggiore mortalità e morbilità con sistemi sanitari adeguatamente attrezzati e un accesso inadeguato agli impianti di trattamento delle ustioni.Rigenerare la pelle utilizzando le proprie cellule staminali del paziente può ridurre significativamente il rischio di morte nei paesi in via di sviluppo. “. Va notato che il numero di trapianti effettuati in Francia è in aumento: 4.428 nel 2006 e 5.357 nel 2014, ma queste cifre sono ancora molto basse rispetto alle richieste perché solo un quarto nel 2006 e poco più di un terzo nel 2014 dei richiedenti avrebbe potuto essere innestato.

Il miglioramento e la diffusione delle stampanti consentirebbe di stampare singoli tessuti cellulari dalle cellule staminali del paziente per l’innesto sul paziente. Quindi, con l’installazione di stampanti biologiche negli ospedali per stampare tessuti viventi su richiesta e personalizzati. Ma è anche prevista la stampa diretta dei tessuti sul corpo umano o mediante la stampa di sequenze di strati di cellule: per produrre innesti, tessuti che possono essere impiantati direttamente nel paziente. Quindi la bio-stampa sarebbe una soluzione per creare tessuto dalle cellule del paziente.

protesi
Protesi bio-stampate: la stampa mediante bioprotesi e materiali implantari limiterebbe il rischio di rigetto e infezione del ricevente. I ricercatori si affidano all’utilizzo di materiali completamente organici e cellule staminali per raggiungere questo obiettivo. Si noti che questo tipo di trapianto verrebbe utilizzato solo per determinate patologie come le tracheotomie, che lasciano gravi effetti collaterali come perdita del linguaggio e alto rischio di infezione.

Ricerca medica
La bio-stampa consente di produrre tessuti biologici per la sperimentazione nella ricerca medica, farmaceutica e tossicologica. L’obiettivo è quello di creare tessuti personalizzati, ricavati dalle cellule del paziente, permettendo di selezionare in vitro su questi tessuti i trattamenti e sviluppare soluzioni terapeutiche personalizzate. “Uno dei principali problemi che affliggono queste aziende è la capacità di valutare accuratamente la tossicità di nuovi trattamenti su cellule umane, in particolare quelle del fegato. Tra il 1990 e il 2010, il 25% dei trattamenti sono stati ritirati dal mercato o bloccati nella fase 3 a causa di effetti tossici sul fegato “. Questo tipo di applicazione potrebbe anche portare ad abbassare il costo delle ricerche.

Nel campo del cancro ad esempio: potrebbe essere possibile attraverso la ricostruzione 3D dei tessuti del paziente (tenendo conto dell’ambiente cellulare del tumore) per testare la chemioterapia. La stampa seriale di tumori cancerogeni consentirebbe ai ricercatori di testare composti e quindi di individuare le molecole più efficaci per una determinata mutazione. Per il momento, i pazienti vengono usati come cavie per questi test. L’attuale tempo di sviluppo dei trattamenti è lungo e potrebbe accelerare con la biopittura dei tessuti malati.

L’uso di tessuti bio-stampati potrebbe ridurre il costo e il processo di ricerca e sviluppo di nuovi trattamenti. Secondo uno studio, “Tra il 1997 e il 2011, le prime 12 società farmaceutiche hanno speso 802,5 miliardi di dollari in ricerca e sviluppo per approvare definitivamente 139 nuovi trattamenti.Il processo che porta alla commercializzazione di un singolo farmaco costa quindi in media 5,77 miliardi di dollari. In altre parole, il 40% del denaro investito non andava oltre la fase di laboratorio “. Le aziende cosmetiche e farmaceutiche forniscono un significativo supporto finanziario ai laboratori di ricerca di bio-stampa.

Stampa in vivo
La stampa in vivo consiste nel stampare direttamente il tessuto dal paziente. Ad esempio, BioPen è in grado di riparare fratture e ferite iniettando una miscela di cellule staminali con un gel biopolimerico (estratto di alghe: proteine ​​che accelerano la rigenerazione). Questa miscela è combinata nel BioPen, è sufficiente sovrapporre strati successivi sulla superficie dell’osso o cartilagine mancante per riempire l’area danneggiata. Una fonte ultravioletta attaccata alla penna solidifica istantaneamente la sostanza. Nel tempo, il gel protettivo degrada e le cellule si moltiplicano e si dissociano per diventare cellule nervose, muscolari e ossee per riparare l’area. Questa tecnica consente una maggiore precisione e riduce i tempi dell’intervento. È apparso all’Università di Wollongong in Australia e gli esami di laboratorio sono conclusivi, ma a breve si terranno degli studi clinici all’ospedale St Vincent di Melbourne. Potrebbe quindi essere possibile riparare immediatamente una frattura e perché non riparare anche la pelle e gli organi. La stampa in vivo è stata notevolmente testata su grandi ferite bruciate con la speranza di curare ferite gravi, soldati direttamente sul campo di battaglia, per esempio.

Carne sintetica
Una startup statunitense, Modern Meadow, ha raccolto $ 350 000 per creare una stampante 3D in grado di stampare carne. Questa tecnologia potrebbe evitare di uccidere animali per nutrire gli esseri umani e rendere la produzione di carne più ecologica e più economica.

Il transumanesimo
L’impianto di protesi potrebbe aumentare l’aspettativa di vita sostituendo parti del corpo umano e persino creando corpi superumani come l’orecchio bionico creato dagli scienziati dell’Università di Princeton.

urto
La biostampa 3D contribuisce a significativi progressi nel campo medico dell’ingegneria tissutale consentendo la ricerca su materiali innovativi chiamati biomateriali. I biomateriali sono i materiali adattati e utilizzati per la stampa di oggetti tridimensionali. Alcune delle sostanze bioingegneria più importanti sono in genere più forti dei materiali corporei medi, compresi i tessuti molli e le ossa. Questi componenti possono agire come sostituti futuri, anche miglioramenti, per i materiali originali del corpo. L’alginato, ad esempio, è un polimero anionico con molte implicazioni biomediche tra cui la fattibilità, forte biocompatibilità, bassa tossicità e capacità strutturali più forti rispetto ad alcuni materiali strutturali del corpo. Anche gli idrogel sintetici sono comuni, inclusi i gel a base di PV. La combinazione di acido con un cross-linker basato su PV basato su UV è stata valutata dal Wake Forest Institute of Medicine e si è rivelata un biomateriale adatto. Gli ingegneri stanno anche esplorando altre opzioni come la stampa di micro-canali in grado di massimizzare la diffusione di nutrienti e ossigeno dai tessuti vicini. Inoltre, l’Agenzia per la riduzione delle minacce di difesa mira a stampare mini organi come cuori, fegato e polmoni come potenziale nuovi farmaci con maggiore precisione e forse eliminano la necessità di test sugli animali.

Aspetti legali
Poiché la bio-stampa è una tecnologia relativamente nuova e non ancora di successo, i suoi aspetti legali contengono ancora ampi problemi. Ciò include regolamenti, brevetti, questioni relative a questi e leggi sulla proprietà intellettuale.

La bio-stampa (e la maggior parte delle tecnologie di bio-produzione in generale) non sono ancora disponibili per il grande pubblico. Quindi le soluzioni suggerite sui vari problemi legali di questa tecnologia nei paragrafi seguenti sono solo proposizioni.

Politiche e regolamenti
L’intervento dello Stato negli aspetti di ricerca e regolamentazione delle nuove tecnologie è cruciale per il futuro di quest’ultima. Per quanto riguarda la bio-stampa, normative eccessivamente restrittive potrebbero portare alla creazione di un mercato nero degli organi stampati. Infatti, se l’accesso a prodotti stampati bio-funzionali è troppo difficile, potrebbe effettivamente portare a un mercato secondario in cui non verrebbero garantiti né il servizio né la qualità dei prodotti.

Le seguenti proposizioni provengono da Jaspar L. Tran e sono tratte dal suo articolo “To bioprint or not to bioprint”:

Divieto
La soluzione più semplice sarebbe probabilmente quella di vietare tutte le attività legate alla bio-stampa, ma questo avrà l’effetto di porre fine a una tecnologia che ha il potenziale per salvare molte vite umane nel lungo periodo. Un’altra soluzione sarebbe un divieto con un’eccezione per la ricerca e le emergenze. È una soluzione simile alla precedente ma, questa volta, con il permesso di continuare la ricerca e la sperimentazione. Tuttavia, restano da discutere le domande di persone qualificate per svolgere attività di ricerca, fonti di finanziamento (private / pubbliche) ecc.

L’autoregolamentazione
Una soluzione diametralmente opposta al divieto sarebbe quella di mettere in atto, nessuna regolamentazione. Quindi lo stato conta sui suoi cittadini e sulla loro capacità di regolare il mercato da soli. Questo si basa sul presupposto che gli individui faranno cose “giuste” ed etiche. Nel caso della bio-stampa, questo può essere considerato perché la bio-stampa comporta pochi rischi. Lo stato potrebbe ancora supportare questa tecnologia attraverso l’educazione e la diffusione di istruzioni di sicurezza per il pubblico in generale, ad esempio. Tuttavia, ciò eliminerebbe la possibilità di avere brevetti per nuove invenzioni in questo settore, che potrebbero ridurre il budget per la ricerca. C’è sempre la possibilità di finanziare la ricerca tramite il.

Concessione di brevetti e proprietà intellettuale
I brevetti e la proprietà intellettuale dominano ogni nuova tecnologia con un grande potenziale di commercializzazione e la bio-stampa è ovviamente parte di questo tipo di tecnologia. Secondo noi possiamo identificare cinque categorie principali a cui possono appartenere i diversi brevetti sulla bio-stampa:

Hydrogel / Extracellular Matrix Materials (ECM)
Isolamento e crescita cellulare
bioreattore
Metodi di produzione / distribuzione
Nuovi metodi di stampa 3D

Motivi Pro del brevetto
Dobbiamo essere in grado di depositare brevetti sulla bio-stampa al fine di promuovere l’innovazione e consentire agli inventori di recuperare un ritorno sul loro investimento. Si noti che la bio-stampa è ancora agli inizi e senza ulteriori ricerche e sviluppo di tale tecnologia è probabile che ristagni come la tecnologia della clonazione, ad esempio.

Problematico
Il problema con la brevettazione della bio-stampa è il fatto che la legge generalmente proibisce la brevettazione di un organismo umano (vedi brevettabilità della vita). Ma le cose non sono così semplici nel caso della bio-stampa. Dovrebbe essere noto che un prodotto è brevettabile se è creato dall’uomo e non appare convenientemente nella natura.

Tecnicamente tutto ciò che è correlato alla bio-stampa è il risultato dell’ingegno e della creazione umana: i processi di produzione e gli organi a stampa biologica. Il punto che è più difficile da dimostrare è il fatto che un prodotto bio-stampato non appare naturalmente in natura. Se un organo o un tessuto stampato è una replica esatta di un organo o tessuto umano, il prodotto bio-stampato non può essere brevettato. Pertanto, i tessuti bio-stampati, sebbene siano molto simili ai tessuti umani (a livello funzionale), sono (per il momento) strutturalmente diversi da questi ultimi, il che consente loro di essere brevettabili.

Una soluzione che potrebbe evitare le varie sfide e l’opposizione alla brevettabilità dei prodotti bio-stampati, sarebbe solo brevettare il processo di fabbricazione e non il prodotto in quanto tale.

Dibattito etico e sociale
La bio-stampa è un argomento che interessa sempre più ricercatori, come evidenziato dalla letteratura scientifica il cui numero di articoli sull’argomento sta aumentando rapidamente, da 2012 a 202 nel 2015. Tuttavia, la bio-stampa è una tecnologia che potrebbe innescare molti dibattiti etici e sollevare una serie di problemi morali.

Nel 2016, i ricercatori della National University di Singapore hanno pubblicato un articolo che proponeva un approccio metodico e globale per portare le questioni etiche in prima linea nella ricerca sulla bio-stampa.

Stratificazione sociale
La bio-stampa è una tecnologia recente e potenzialmente costosa. Può essere accessibile solo a una piccola parte della popolazione più ricca. L’accesso ineguale a questa tecnologia potrebbe portare a una stratificazione sociale che divide le persone in base al loro reddito e consente una vita più ricca più a lungo e in una migliore salute.

Uso di cellule staminali
La bio-stampa si basa in particolare sull’uso di cellule staminali che hanno il vantaggio di poter moltiplicare e specializzarsi. A seconda dell’origine di queste cellule (embrioni), possono sorgere questioni etiche e sociali.

rischi
L’uso di cellule staminali e l’intensa moltiplicazione cellulare necessaria per la creazione di organi di sintesi suggeriscono che non sono esclusi certi rischi di proliferazione cellulare. Questi rischi includono la formazione di teratomi o tumori, così come la dislocazione o la migrazione di impianti. La maggior parte degli studi di bio-stampa ha mostrato risultati convincenti a breve termine, ma è necessario condurre studi in vivo per valutare i rischi a lungo termine.

Dibattito sulle cellule staminali embrionali (ESC)
Gli embrioni sono una fonte molto interessante di cellule staminali pluripotenti per l’ingegneria tissutale, ma la raccolta e l’uso di embrioni sono oggetto di discussioni molto dibattute. Questi dibattiti sono influenzati in particolare da fattori culturali e religiosi.

Diverse posizioni delle religioni
Nel 2003, uno studio pubblicato su Advances in Experimental Medicine and Biology nel febbraio 2003 riporta come diverse religioni percepiscono la ricerca sulle cellule staminali embrionali e sulla clonazione terapeutica e riproduttiva.

I cattolici e gli ortodossi vietano la ricerca sul CSE e rifiutano tutte le forme di clonazione.

I protestanti accettano la ricerca sul CSE e sulla clonazione terapeutica se sono condotti ragionevolmente ed eticamente, ma rifiutano la clonazione riproduttiva.

I musulmani, come i protestanti accettano la ricerca e la clonazione terapeutica, a condizione che ciò avvenga su embrioni di meno di 4 mesi. Rifiutano, tuttavia, la clonazione riproduttiva.

Gli ebrei, da parte loro, accettano la ricerca e la clonazione fintanto che il clone è sterile e che gli embrioni hanno usato meno di 40 giorni.

Infine, per quanto riguarda i buddisti, si oppongono alla ricerca sugli ESC e alla clonazione terapeutica. D’altra parte, accettano la clonazione riproduttiva a condizione che non venga apportata alcuna modifica genetica.

Differenze nelle percezioni per paese
Una relazione (Oltre la permissibilità della ricerca sulle cellule staminali e embrionali: requisiti sostanziali e garanzie procedurali) contenente un’analisi comparativa dei regolamenti attuali riguardanti l’uso e la ricerca sui CES in più paesi è stata pubblicata nel 2006. osserva che la regolamentazione della clonazione terapeutica e la ricerca sulle cellule staminali embrionali varia notevolmente da un paese all’altro.

La clonazione terapeutica è vietata in Francia, Germania, Spagna, Italia, Austria, Irlanda, Israele, Svezia, Belgio, India, Canada e Australia. Al contrario, è autorizzato nel Regno Unito, Danimarca, Giappone, Paesi Bassi e Corea. Si può osservare che le posizioni variano da paese a paese, nonostante la loro vicinanza geografica, essendo la clonazione terapeutica vietata in Irlanda ma autorizzata nel Regno Unito.

La maggior parte dei paesi che hanno adottato un regolamento che vieta la ricerca e l’uso di embrioni usano come giustificazione etica che solo una delle manipolazioni per migliorare le condizioni di sviluppo e la salute dell’embrione sono accettabili. Pertanto, consentendo solo la ricerca che avvantaggia gli embrioni e lasciando da parte ogni altro scopo scientifico, questa politica conferisce uno status giuridico agli embrioni.

Al contrario, alcuni paesi accettano in linea di massima la ricerca sugli embrioni e le loro cellule staminali perché ritengono che sia più importante ridurre la sofferenza e la morte degli esseri umani (al contrario degli embrioni umani). Quindi questa ricerca è considerata e regolata come una ricerca terapeutica. In diversi paesi, come Svizzera, Giappone, Francia, Brasile e Islanda, accettiamo la ricerca sugli embrioni in vitro purché contribuisca a importanti progressi nel campo terapeutico.

Queste forti differenze nelle percezioni potrebbero influenzare fortemente il modo in cui la bio-stampa potrebbe essere accettata. È quindi importante studiare e riflettere su queste percezioni complesse e in gran parte legate alla religione, alla cultura e alle influenze politiche.