STAMPANDO IL CORPO UMANO

Un tessuto ingegnerizzato è possibile crearlo tramite stampante 3D?

Nel titolo un omaggio alla celebre serie televisiva francese "Il était une fois... la Vie" dedicata al funzionamento del corpo umano. La paronomasia è voluta e sottolinea la reale possibilità attuale di poter riprodurre tessuti corporei tramite stampante 3D. Ma procediamo con ordine ponendo in luce alcuni concetti per capire meglio di cosa si parlerà nei prossimi paragrafi.

Matrice Extracellulare (MEC)

Il corpo umano è un grande sistema di relazioni e di connessioni, ed esprime l'intera struttura fisica di un essere umano. Esso è composto da diversi tipi di cellule che insieme formano tessuti, a loro volta organizzati in sistemi di organi.

Tutto ciò che circonda queste cellule viene definito in biologia come matrice extracellulare (MEC). Essendo il nostro organismo costituito da diversi tessuti, ognuno di essi è composto da un network di cellule che sono tenute insieme in maniera diversa a secondo di quale tessuto prendiamo in esame. Una delle funzioni della MEC è proprio quella di svolgere un ruolo fondamentale nell'organizzazione di ogni tessuto.

È costituita principalmente da due classi di macromolecole, le quali sono prodotte localmente. Queste particolari molecole subiscono un turnover mediante il quale avviene una completa degradazione e una nuova sintesi.

1. La prima classe delle macromolecole è rappresentata dai GAG o Glicosaminoglicani: l’acido ialuronico è un GAG che compare nella terza settimana dello sviluppo embrionale. La funzione principale dei GAG è di creare nello spazio tra una cellula e l’altra la giusta idratazione, andando a formare un “gel” di fondamentale importanza per il traffico di molecole, nutrienti, ormoni e segnali chimici tra una cellula e l’altra
2. L’altra classe è costituita da PROTEINE FIBROSE come ad esempio elastina, collagene, fibronettina e laminina con funzioni sia strutturali che adesive. Il collagene è quella più abbondante che conferisce integrità, elasticità e stabilità.

In aggiunta la MEC funge da deposito di diversi fattori di crescita cellulari. Cambiamenti nella condizione fisiologica possono innescare l'attività di proteasi che provocano il rilascio locale di questi depositi. Questo permette una rapida attivazione delle funzioni cellulari nella zona di rilascio, senza dover sintetizzare ex novo i fattori.

Come intervenire sulla MEC?

Una nuova tecnica chiamata decellularizzazione ha permesso ad alcuni ricercatori dell'Università del Minnesota di ricreare tessuti e organi interi. Il passaggio di una sostanza chimica detergente, l’Sds (sodio-dodecil-fosfato) nel cuore di cadavere di ratto causa la denaturazione delle proteine. Nelle dodici ore successive ad esso non sono più presenti cellule del donatore, era ne rimane solo la struttura, cioè la matrice extracellulare, pronta per essere colonizzata con le cellule del ricevente.

Dalla matrice decellularizzata è possibile dunque far crescere cellule specifiche di un determinato tessuto e ottenere quindi un tessuto ingegnerizzato, come per esempio un osso.

Attualmente, esistono ECM costruite con la stampa 3D, ma hanno il limite di essere poco biocompatibili e sicure, quindi non possono essere usate nella pratica clinica. Un team cinese ha verificato la biocompatibilità, sicurezza e capacità funzionale di un ECM stampato in 3D partendo da una matrice cellulare autologa (le cellule autologhe sono cellule provenienti dallo stesso individuo, ad esempio, della cute trasferita da una parte dell’organismo a un’altra è un tessuto autologo) e ideato una strategia di stampa 3D apposita, chiamata MLC-3DP.

“Multi-level customized 3D printing for autogenous implants in skull tissue engineering”

Si tratta di un metodo che consente di selezionare la forma della matrice da stampare, il materiale specifico e anche la specificità delle cellule, per un vero risultato paziente-specifico. In questo impianto le cellule si possono differenziare da sole in osteoblasti, senza bisogno di aggiungere altri fattori.

Dove potrebbe essere un primo collocamento di una stampante di organi 3D?

La risposta viene direttamente da un esperimento condotto a bordo della ISS il quale ha aperto la strada a una nuova generazione di tecnologie per la stampa 3D di tessuti biologici e di organi.

L’ultimo cargo arrivato sulla Stazione Spaziale ha infatti consegnato all’equipaggio il BioFarbrication Facility, un esperimento sulle biotecnologie che vuole verificare i vantaggi della microgravità nella stampa 3D di tessuti viventi. Gli astronauti avranno a disposizione una particolare stampante 3D che al posto della plastica è in grado di stampare uno speciale tessuto biologico utilizzabile come cerotto per sigillare una parete cardiaca danneggiata.

Tra le difficoltà che incontrano c’è però quella di dover utilizzare complicati telai in grado di mantenere la forma dell’organo durante la stampa. Una volta completato il processo infatti, una delle operazioni più complesse è il distacco dell’organo dal telaio: la percentuale di rotture è elevatissima ed è una delle cause che rende questa tecnologia ad oggi inaffidabile.

Obiettivo dei ricercatori è quello di usare la microgravità della ISS come alleata in questo processo: la quasi totale “assenza di peso” dovrebbe permettere infatti la stampa dei tessuti senza ricorrere al supporto dei telai. L’esperimento sarà preparato dagli astronauti a bordo della Stazione Spaziale, ma sarà controllato da Terra: i tessuti saranno stampati all’interno di speciali bio-reattori dove potranno continuare a crescere sotto il controllo degli scienziati.

La costruzione dei tessuti 3D richiederà diversi mesi, al termine dei quali i campioni verranno nuovamente mandati sulla Terra.

In prospettiva questa tecnologia potrebbe avere implicazioni importantissime: in futuro, per esempio, potrebbe permettere di compensare la cronica carenza di organi per trapianti e di stamparli a partire dalle cellule staminali dei pazienti stessi.