La biostampa 3D rende reale la matrice dell’imitazione

Non c'è nulla di virtuale nei tessuti bioingegnerizzati, quindi prendi la pillola rossa e quella blu

Nel laboratorio dell’Università della Florida guidato da Christine E. Schmidt, PhD, gli scienziati hanno utilizzato un metodo basato sull’apoptosi per decellularizzare i polmoni dei ratti e preservare la matrice extracellulare (ECM). Gli scienziati intendono ricellularizzare gli idrogel della ECM per creare modelli di malattie polmonari. Questa proiezione 3D mostra cellule epiteliali polmonari di ratto coltivate in idrogel ECM polmonari (verde: cellule vive; rosso: cellule morte).

La matrice extracellulare (ECM) è una rete tridimensionale (3D) di macromolecole, come collagene, enzimi e glicoproteine, essenziale per l'orientamento spaziale, l'interazione e la segnalazione tra le cellule circostanti. Quando si ingegnerizza l’ECM, l’idea è quella di imitare gli ambienti naturali dei tessuti e ottenere informazioni sulla regolazione cellulare guidata dalla matrice e, inoltre, sviluppare sostituti per gli organi danneggiati.

L'imitazione dell'ECM prende vita attraverso la biostampa 3D. Un’estensione della tradizionale stampa 3D, la biostampa 3D è una tecnologia di produzione additiva che deposita biomateriali – cellule, fattori di crescita e componenti di impalcature reticolabili – in disposizioni favorevoli alla formazione di strutture simili ai tessuti. La biostampa 3D sta emergendo come un potente strumento per la medicina rigenerativa perché è in grado di unire proprietà fisiche e biochimiche ottimali per l’adesione cellulare, la proliferazione migratoria e la differenziazione.

I modelli biostampati in 3D occupano una nicchia unica nella comunità di ricerca, offrendo un’integrazione strettamente controllata della matrice di supporto con i tipi cellulari rilevanti. "Se [volessimo] creare un vaso sanguigno sintetico, semineremmo cellule endoteliali su uno dei bioinchiostri altamente biocompatibili, derivati ​​da gelatina, fibrina, alginato o altri materiali naturali", afferma Akhilesh K. Gaharwar, PhD, un associato professore di ingegneria biomedica alla Texas A&M University.

Lo stretto collaboratore di Gaharwar, Abhishek Jain, PhD, assistente professore di ingegneria biomedica presso la Texas A&M, rafforza il punto: “La bioprinting 3D potrebbe riprodurre con precisione l’anatomia vascolare di un paziente, comprese le geometrie personalizzate dalle scansioni TC. Stratificando una matrice polimerica e comunità cellulari, aumentiamo progressivamente la complessità del sistema, facendo sì che le cellule si allineino, interagiscano e rispondano in modo fisiologicamente rilevante”.

Gaharwar e Jain ritengono che la modellazione del complesso sistema vascolare potrebbe portare a trattamenti migliori delle malattie vascolari. Con oltre 17 milioni di decessi all’anno, si prevede che le malattie vascolari raggiungeranno proporzioni epidemiche nel prossimo futuro.

Un sistema vascolare complesso è difficile da riprodurre in vitro perché è costituito da un'architettura cellulare multistrato. Questa architettura non solo è in linea con le strutture vascolari di base (vasi composti da strati interni ed esterni di cellule), ma supporta anche le complesse interazioni che si verificano tra le cellule vascolari e il microambiente circostante.

“La biostampa 3D è in grado di fabbricare un modello in grado di replicare proprietà meccaniche, come il rilassamento e la contrazione delle pareti, nonché proprietà fisiologiche, come l’attivazione endoteliale, la formazione di coaguli e altri importanti segni distintivi della malattia”, aggiunge Jain. “I nostri laboratori stanno lavorando su una nuova famiglia di bioinchiostri che mantengono un’elevata fedeltà della forma dopo l’estrusione e stabilità meccanica dopo la reticolazione”.

La reticolazione si traduce in un idrogel e l'idrogel è combinato con nanoparticelle di nanosilicato a forma di disco, che aggiungono forza alla struttura stampata e si legano elettrostaticamente ai polimeri caricati. L'incorporazione di nanosilicati negli idrogel migliora notevolmente le proprietà di flusso delle soluzioni precursori del prodotto stampato. Di conseguenza, la reticolazione dei precursori stampati con la luce UV produce una matrice straordinariamente resistente ma elastica, adatta per le procedure di innesto.1

“Il nostro obiettivo è accelerare la scoperta di farmaci creando un vaso sanguigno completamente funzionale con cellule vascolari umane primarie”, dichiara Gaharwar. “[Ci auguriamo di] esplorare la comunicazione intercellulare durante i processi patologici a un livello senza precedenti”.