Bioprinting 3d degli organi umani. Scopriamo questa nuova tecnologia.


La tecnologia del bioprinting 3D potrebbe finire per salvare la vita di milioni di persone ogni anno. In questo articolo faremo una sintesi di tutto quello che ruota attorno a questa nuova tecnologia e le cose che devi sapere per avere una maggiore percezione dell'argomento.


Il 3D, avrà un impatto su quasi tutti i principali settori del mondo e l'assistenza sanitaria non fa eccezione. Abbiamo già visto come la stampa 3D può beneficiare il settore sanitario con la recente pandemia di coronavirus, quando ingegneri ed esperti di stampa alle prime armi hanno sviluppato modi per produrre rapidamente DPI, attrezzature mediche per aiutare gli ospedali, come ad esempio i respiratori.


Le principali aziende di stampa 3D come Carbon, Prusa Research e Formlabs stanno stampando visiere, maschere e strumenti ospedalieri cruciali per gli operatori sanitari. L'intera comunità della stampa 3D ha lavorato duramente per alleviare la pressione sulle catene di approvvigionamento dei governi di apparecchiature sanitarie.


La stampa 3D mantiene la promessa di cambiare in meglio il settore sanitario offrendo prodotti come farmaci più intelligenti e protesi iper-personalizzate. Tuttavia, come qualcosa uscito da un film di fantascienza, nel prossimo futuro, potrebbe diventare un luogo comune per i medici curare pazienti con organi stampati. In realtà, questo sta già accadendo. I ricercatori di varie importanti università hanno organi umani funzionanti stampati in 3D. Ciò potrebbe aiutare a far fronte alla carenza di donatori di organi in tutto il mondo.


A causa dell'enorme richiesta di donatori di organi, è stato stimato che 900.000 decessi ogni anno potrebbero essere evitati utilizzando organi ingegnerizzati. Attualmente, negli Stati Uniti, ci sono 113.000 uomini, donne e bambini nella lista d'attesa nazionale per il trapianto a partire da luglio 2019. Purtroppo, in media, 20 persone muoiono ogni giorno in attesa di un trapianto, mentre una nuova persona viene aggiunta alla lista d'attesa ogni 10 minuti. Gli organi stampati in 3D potrebbero essere una valida soluzione a questo problema. Inoltre, questi organi ingegnerizzati sono molto convenienti.


Ad esempio, secondo la National Foundation for Transplants, un trapianto di rene standard, in media, costa fino a 300.000 dollari, mentre una biostampante 3D, la stampante utilizzata per creare organi stampati in 3D, può costare fino a 10.000 dolla e si prevede che i costi diminuiranno ulteriormente man mano che la tecnologia si evolve nei prossimi anni. Questo è uno dei tanti motivi per cui professionisti medici e ricercatori sono così entusiasti della prossima era degli organi stampati in 3D.


Oggi esploreremo ulteriormente le implicazioni della biostampa 3D, le sfide, i vantaggi e i potenziali problemi di questa nuova procedura rivoluzionaria. Nei prossimi due anni, si prevede che la domanda di bioprinting aumenterà in modo sensibile.


Le basi: cos'è la biostampa 3D?


Potresti aver sentito parlare del processo di stampa degli organi in 3D descritto come bioprinting 3D e i prodotti finali (organi) chiamati organi ingegnerizzati. In breve, il processo di bioprinting è simile a molti dei processi di produzione additiva che conosci. Tuttavia, in questo caso, il processo prevede l'uso di cellule e fattori di crescita per creare strutture simili a tessuti ed eventualmente organi. Pensa alla tua stampante standard per la fabbricazione di filamenti fusi (FDM). È probabile che tu ne abbia vista una in azione o forse ne abbia anche una sul desktop in questo momento. Il processo è molto simile.


Quando vuoi stampare qualcosa in 3D, la prima cosa che devi fare è creare un modello digitale, che poi viene stampato come prodotto fisico, strato dopo strato, utilizzando materiale termoplastico. La biostampa funziona in modo simile, con i ricercatori che prima creano un modello digitale del tessuto che vogliono creare, seguito dal processo di stampa dell'organo strato per strato. Tuttavia, poiché le stampanti biologiche utilizzano celle sterili, la risoluzione della stampa (altezza dello strato) e la struttura della matrice devono essere preparate in modo diverso rispetto a quando si utilizzano materiali termoplastici.


Scomponendolo ulteriormente, assomiglia molto alla pre e post-produzione della stampa di apparecchi per stereolitografia (SLA), i ricercatori creano prima il modello digitale per la loro stampa utilizzando tecnologie come le scansioni di tomografia computerizzata e le scansioni di risonanza magnetica. Le stampanti vengono quindi preparate e sterilizzate.


Successivamente, il modello digitale viene inviato alla stampante. I ricercatori usano bioink, una sospensione di cellule viventi, per stampare le loro strutture. Proprio come un filamento, il bioinchiostro viene inserito in una cartuccia della stampante e viene utilizzato per creare il modello fisico 3D. Infine, durante la fase di post-produzione, dopo che la stampa è stata completata, i ricercatori stimolano meccanicamente e chimicamente l'organo per assicurarsi che funzioni.


Bioink è il "filamento" utilizzato nelle bioprinting 3d.


Per stampare un organo, gli scienziati devono depositare cellule specifiche per l'organo che stanno costruendo. Ad esempio, per creare un fegato, inizierebbero con gli epatociti, le cellule epatiche primarie, e altre cellule di supporto. Man mano che le cellule vengono stampate e si accumulano sulla piattaforma, vengono incorporate in una matrice di supporto di microgel (o impalcatura) e assumono la forma dell'organo. Gli scienziati potrebbero anche iniziare con un bioinchiostro costituito da cellule staminali, che possono differenziarsi nelle cellule bersaglio desiderate.


Per prevenire il rigetto d'organo, i professionisti medici devono abbinare persone altamente compatibili, ci sono molti fattori che entrano in compatibilità. Tuttavia, possiamo aggirare questo problema utilizzando le cellule del destinatario per creare il bioinchiostro.


Per gli organi semplici, i ricercatori stampano prima un'impalcatura 3D fatta di polimeri biodegradabili o collagene. Usano il software CAD per progettare un modello digitale esatto dell'organo. Quindi stampano l'impalcatura, che fornirà una superficie temporanea a cui aggrapparsi alle cellule.


Le cellule vengono raccolte mediante una biopsia dell'organo del paziente. Queste cellule vengono quindi coltivate in una coltura, fino a quando non ci sono abbastanza cellule per poter realizzare la stampa. Una volta che le cellule sono cresciute e si sono organizzate, trasformandosi in un organo funzionante, l'organo viene impiantato nel paziente e l'impalcatura scompare.


Gli organi più complessi possono essere stampati senza un'impalcatura. Per fare ciò, i medici utilizzano nuovamente le scansioni TC e MRI e le combinano con i dati medici del paziente per costruire un modello fetta dopo fetta dell'organo del paziente. Questo modello viene quindi stampato, utilizzando bioink e un gel polimerico per creare il tessuto. Una volta completato, l'organo viene posto in un'incubatrice, per consentire alle cellule di organizzarsi e fondersi insieme per formare un organo funzionante.


È quest'ultimo passaggio che si sta rivelando impegnativo. Un altro problema è l'afflusso di sangue all'organo. anche se gli scienziati hanno stampato vasi sanguigni più grandi, la biostampa non offre ancora una risoluzione sufficiente per creare i minuscoli capillari spessi unicellulari necessari a far funzionare un organo sano.


Le persone hanno già organi 3D?


La risposta breve è sì. Nel 2017, un team di ricercatori della Pohang University of Science and Technology ha sviluppato e stampato in 3D quelli che hanno soprannominato "vasi sanguigni biologici", utilizzando materiali del corpo umano come modello per il processo. Il vasi sanguigni stampati, in questo caso hanno funzionato molto bene. Mentre i ricercatori dell'Università di Harvard, appena un anno prima, hanno sviluppato un nuovo tipo di bioinchiostro specifico per la costruzione dei reni, consentendo al team di ricercatori di ricreare parti vitali del rene.


Un team della startup di bioprinting Organovo di San Diego ha già dimostrato di poter stampare pezzi di fegato umano per poi impiantarli nei topi.


Le sperimentazioni umane per i trapianti di fegato potrebbero iniziare già nel prossimo anno. L'idea della biostampa di organi umani chiaramente non è più un'idea lontana da fantascienza. I ricercatori di aziende private e importanti università hanno stampato orecchie, polmoni e persino un cuore.


I ricercatori della Carnegie Mellon University hanno recentemente creato il primo modello digitale di cuore umano biostampato in 3D a grandezza naturale utilizzando la loro tecnica Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels (FRESH). Questo nuovo metodo di produzione additiva utilizza un ago per iniettare bioinchiostro in un bagno di morbido idrogel per supportare la stampa. La tecnica consente la creazione di complesse caratteristiche dell'organo.


La tecnologia di bioprinting è lungi dall'essere perfetta


Sì, ci sono stati molteplici sforzi di successo nella creazione di tessuti e organi ingegnerizzati. Tuttavia, la tecnologia ha ancora molta strada da fare prima di essere completamente utilizzata negli ospedali a un passo da te. Ci sono alcuni ostacoli evidenti che dobbiamo superare.


Innanzitutto, la biostampa deve diventare più veloce ed essere in grado di produrre tessuti a una risoluzione più elevata. Essere in grado di stampare un organo in 3D in poche ore o minuti potrebbe rendere la biostampa 3D molto più attraente dal punto di vista commerciale. Allo stesso tempo, la risoluzione più elevata consentirebbe una migliore interazione e controllo nel microambiente 3D e consentirebbe la creazione delle strutture fini necessarie per sviluppare un organo sano e funzionante.


In secondo luogo, abbiamo bisogno di un catalogo di biomateriali più diversificato con cui lavorare. Al momento è come stampare con pochi filamenti. Proprio come con una stampante FDM o anche SLA, utilizzi materiali di stampa diversi per affrontare lavori diversi.


Lo stesso vale per il mondo del bioink e per i complessi e vari tipi di trattamenti medici sui tessuti di cui l'uomo potrebbe aver bisogno. Tuttavia, la tecnologia è entusiasmante e, come accennato in precedenza, potrebbe salvare milioni di vite un giorno. La crescente concorrenza nel settore privato potrebbe aiutare a generare la rapida innovazione necessaria per rendere praticabile la stampa 3D .


Fonte

https://interestingengineering.com/the-science-fiction-world-of-3d-printed-organs