Il momento in cui gli scienziati creeranno tessuti e organi per il trapianto si avvicina sempre di più. Così di recente, gli scienziati del Centro di ricerca federale “Crystallography and Photonics”, l’Istituto di fisica chimica intitolato a N.N. Semenov Russian Academy of Sciences, Chongqing Medical University e Wake Forest Medical School hanno attirato l’attenzione della comunità scientifica su una delle aree più giovani e promettenti del bioprinting: una tecnologia basata sul trasferimento cellulare indotto dal laser (LIFT).
Di cosa è fatto il bioink?
Gli scienziati hanno confrontato i parametri della stampa laser, la composizione di bioinchiostro, substrati donatori e accettori per le biostampanti utilizzando la tecnologia LIFT, nonché i metodi per l’elaborazione del materiale risultante. I bioink utilizzati da molti gruppi scientifici contenevano glicerolo e metilcellulosa, che aiutavano a trattenere l’umidità nel bioink, o plasma sanguigno, che supportava la crescita cellulare. Spesso si incontrava anche l’acido ialuronico, poiché conferiva al bioink la viscosità necessaria e stimolava anche la crescita cellulare. Il collagene, il componente principale del tessuto connettivo, si è rivelato una delle migliori basi per il bioink.
Assolutamente naturale
I materiali per l’ingegneria tissutale sono sempre più utilizzati in medicina. Quando vengono creati, è possibile imitare accuratamente l’ambiente naturale in cui si sviluppano le cellule. L’utilizzo di portatori di cellule (scaffold) rappresenta un passo avanti rispetto alla terapia cellulare tradizionale, in cui le cellule staminali vengono utilizzate da sole. Le tecnologie di bioprinting consentono strato dopo strato di ricreare tessuti o modelli di organi (“organs on a chip”), posizionando cellule e biomolecole, come farmaci o fattori di crescita (composti che regolano la crescita e lo sviluppo cellulare), su base tridimensionale.
Raggio laser in azione
La tecnologia LIFT utilizza l’energia di un impulso laser per trasferire cellule e biomolecole. Il raggio laser di una biostampante LIFT è focalizzato su un substrato donatore: un vetrino rivestito con un materiale che assorbe energia (ad esempio metallo) e uno strato di bioinchiostro (idrogel con cellule e biomolecole). Nel punto in cui colpisce il laser, lo strato che assorbe l’energia si riscalda bruscamente ed evapora, formando una bolla di gas che espelle un getto dallo strato di idrogel. Il getto risultante colpisce un altro vetrino, un substrato accettore, dove una goccia si separa da esso. La tecnologia LIFT offre un’elevata velocità di stampa, sopravvivenza cellulare, movimento preciso di cellule o molecole e consente di lavorare con vari oggetti, inclusi microrganismi e intere strutture cellulari, come gli sferoidi. Tuttavia, quando si utilizza questa tecnologia, per ogni combinazione di idrogel e cellule, è necessario calcolare individualmente i parametri del processo di trasferimento laser.
Oro, titanio e gelatina
Gli autori dell’articolo hanno analizzato 33 studi sulla bioprinting utilizzando la tecnologia LIFT. Da loro, gli scienziati hanno identificato e sistematizzato descrizioni di sorgenti di radiazioni laser, materiali che assorbono energia, substrati donatori e accettori e hanno anche confrontato gli obiettivi ei risultati del lavoro. Le lunghezze d’onda laser più popolari si sono rivelate essere 193 e 1064 nanometri (ultravioletto a lunghezza d’onda corta e vicino infrarosso, rispettivamente), sebbene siano stati condotti esperimenti di successo con radiazioni di lunghezze d’onda molto più grandi e più piccole. Oro, titanio, gelatina e le sue miscele sono stati usati come materiale che assorbe energia e, in cinque studi, gli scienziati sono riusciti a fare a meno di questo strato. La maggior parte degli studi ha utilizzato fibroblasti (cellule del tessuto connettivo che sintetizzano le proteine della matrice extracellulare) o cellule stromali mesenchimali (da cui si sviluppano vari tipi di cellule del tessuto connettivo) di topi. La scelta è stata dovuta alla disponibilità di celle.
Mantieni forma
In alcuni studi, bioink formava anche una “coppia funzionale” con un substrato accettore: ad esempio, se per il substrato donatore veniva utilizzato alginato, allora il substrato accettore conteneva ioni calcio, e se il fibrinogeno era incluso nel substrato donatore, allora l’accettore substrato conteneva trombina. Tali “coppie funzionali” consentono di mantenere efficacemente la forma delle strutture stampate, poiché le sostanze contenute nel substrato accettore agiscono come fissativi del bioink. Gli studi differivano anche per il tipo di stampa: bidimensionale, quando le celle erano disposte in uno strato (gli scienziati stampavano linee, figure, lettere, numeri o la bandiera olimpica da essi), o tridimensionale, che consente di ricreare complessi strutture cellulari, come le nicchie staminali. Gli oggetti tridimensionali sono stati creati mediante l’applicazione strato per strato di bio-inchiostro.
Transizione alla pratica
Gli autori degli articoli hanno utilizzato vari metodi per valutare l’impatto del processo di bioprinting sullo stato delle cellule. La maggior parte degli scienziati osserva che la sopravvivenza delle cellule era piuttosto elevata e il loro DNA è rimasto intatto, nonostante l’impatto meccanico e un forte aumento della temperatura. Non sono stati osservati cambiamenti né nel tasso di divisione cellulare né nella capacità delle cellule staminali di differenziarsi (diventare tipi cellulari più specializzati). In diversi studi, i tessuti creati sono stati trapiantati in animali da laboratorio. Man mano che la tecnologia migliora, nei prossimi anni ci saranno più studi sugli animali, secondo gli autori della recensione. “La tecnologia LIFT è piuttosto giovane e sta appena iniziando a conquistare il mondo della biomedicina. Naturalmente, sarà migliorato e ulteriormente utilizzato nell’ingegneria tissutale e possibilmente anche nella pratica clinica. Tuttavia, mi sembra molto promettente utilizzarlo insieme ad altre tecnologie, che consentiranno di creare tessuti e organi utilizzabili per i trapianti”, ha affermato Petr Timashev, uno degli autori dell’articolo, direttore dell’Istituto di Medicina Rigenerativa dell’Università Sechenov.