Trapianti di organi e stampanti tridimensionali 3D

La TAU School of Molecular Cell Biology and Biotechnology di Teal Aviv ha da poco annunciato di avere “stampato” il primo cuore vascolarizzato in 3D utilizzando le cellule e il materiale biologico di un paziente. Si tratta senza dubbio di un risultato significativo, che sposta un po’ più in avanti i limiti che la stampa 3D di organi e tessuti ha avuto sino ad oggi. E che potrebbe risolvere nell’arco di un decennio la cronica carenza di organi destinati al trapianto.

Questa è una tra le più recenti e numerose segnalazioni diffuse nella comunità scientifica sulla possibilità di arrivare a produrre artificialmente, attraverso la stampa tridimensionale, organi che possano essere impiantati nel pazienti e funzionare efficacemente.

E’ evidente che questa strada apre scenari di grandissima importanza, con almeno due elementi fondamentali, assicurare da un lato una disponibilità illimitata di organi da trapiantare e, dall’altro, evitare il problema del rigetto, dato che queste metodiche utilizzano le cellule del paziente stesso.

E’ bene precisare tuttavia che nonostante i grandissimi progressi ottenuti anche in questo settore della scienza, che vede impegnati non solo ricercatori di tutto il mondo e di tutte le diverse branche specialistiche, ma anche l’industria delle nuove biotecnologie che ne ha colto l’enorme potenzialità economica, il percorso per arrivare a questi risultati è ancora assai lungo.

Basti pensare che si calcola che ogni singolo organo del corpo umano svolge in media dalle 300 alle 500 funzioni di diversa natura, biochimica, neuroumorale, endocrina, con una rete di strutture microvascolari e nervose di eccezionale complessità, interconnese tra loro e in grado di influenzarsi reciprocamente per garantire il mantenimento dell’equilibrio interno del nostro organismo, la cosiddetta omeostasi. Questa complessità è un grande ostacolo per il procedimento di stampa: per esempio, i polmoni e fegato contengono al loro interno reti di vasi sanguigni e vie respiratorie (nel polmone) o dotti biliari (nel fegato) fisicamente e biochimicamente intricati. Ricreare questa vascolarizzazione e far funzionare la fluidodinamica in modo che il sangue e gli altri fluidi fluiscano correttamente è una sfida ancora attuale.

Come si è detto la stampa tridimensionale gioca un ruolo cruciale in questo ambito, vediamo in sintesi in cosa consiste:

l’idea base della stampa 3D è quella di creare delle matrici porose dove le cellule possano trovare un ambiente adatto per il loro sviluppo e dar luogo quindi alla rigenerazione del tessuto che ci interessa, ricordando che ogni singolo organo è costituito da più tessuti specializzati.

Ciò consente in altri termini di realizzare una sorta di impalcatura all’interno della quale si impiantano le cellule deputate a creare la matrice proteica necessaria per la rigenerazione del tessuto. Disegnando in un determinato modo i pori, ovvero gli spazi entro cui le cellule si sistemano, si possono influenzare alcune caratteristiche dello scaffold, per esempio la sua maggiore o minore rigidità.

Per ottenere tessuti diversi è invece necessario inserire nel terreno di coltura gli specifici fattori biologici presenti nelle sedi dove il tessuto deve ri-formarsi.

Si possono usare le cellule staminali opportunamente trattate per indurne una crescita differenziata in modo da modificare alcune proprietà fisiche, per esempio le caratteristiche superficiali della matrice.

Depositare le cellule sullo scaffold è però solo una delle possibili strategie per la stampa di organi. Non priva di inconvenienti, per altro: primo fra tutti il fatto che non è semplice inserire perfettamente le cellule all’interno della matrice a loro destinata, con il rischio di una distribuzione non omogenea del materiale organico.

BIOSTAMPA O BIOPRINTING

Per ovviare a questi problemi si sta sperimentando una metodologia più avanzata, la biostampa o bioprinting, che prevede di incorporare le cellule all’interno del materiale stesso dell’impalcatura così che vengano depositate insieme allo scaffold e non seminate in un secondo momento. In questo caso si utilizza un bioink, un materiale semiliquido che contiene per esempio cellule epatiche di un paziente, opportunamente amplificate e stabilizzate. Questo viene depositato da una apposita biostampante su un materiale di supporto per riprodurre la struttura tridimensionale dell’organo di riferimento (in questo caso il fegato). Ma anche qui gli ostacoli non mancano: il lasso di tempo durante il quale le cellule possono essere stampate senza essere risentire dell’insulto ischemico è molto breve, e il bioinchiostro deve essere composto di materiali del tutto compatibili per evitare che possano a loro volta causare danni durante la stampa. Per questo, nei laboratori si lavora per mettere a punto bioinchiostri, per esempio a base di collagene o acido ialuronico o di coloranti naturali, sensibili alla luce, che consentano di mantenere il più possibile intatte le proprietà delle cellule, e biostampanti più veloci per salvaguardare le funzionalità del materiale organico.

STEREOLITOGRAFIA

Un importante ulteriore sviluppo consiste nell’impiego di una tecnica particolare, la stereolitografia, in grado di produrre strati più sottili rispetto alla stampa 3D standard e in tempi più rapidi, utilizzando prodotti chimici fotoreattivi (cioè che reagiscono alla luce in funzione della lunghezza d’onda solidificandosi) sicuri e biocompatibili.

Attualmente non si è ancora in grado di stampare un organo per impiantarlo, ma è possibile  realizzare grandi tessuti vascolarizzati, che sono strutture estremamente complesse, e che al momento sono utili, se non a salvare una vita, almeno a predire con precisione gli effetti dei farmaci sull’essere umano.

Ma anche in clinica arrivano le prime applicazioni: a Firenze di recente è stato ricostruito da zero, proprio con la stampa tridimensionale, l’orecchio di un ragazzo a partire da una piccola porzione di cartilagini costali.

SUPPORTO ATTIVITA’ CHIRURGICA

Ma se la strada per arrivare alla stampa 3D degli organi è ancora lunga, il suo impiego in ambito trapiantologico trova già un suo preciso ruolo, in particolare quale supporto dell’attività chirurgica in senso stretto, come per esempio nel caso di un trapianto di fegato da donatore vivente. 

In un caso recentemente riportato il modello tridimensionale del fegato del donatore è stato stampato con un gel biosimilare che mima la consistenza dei tessuti biologici con una ricostruzione in scala 1:1 con identico peso dell’organo e anatomia dei vasi e delle strutture fedele al 100%. Il “clone in 3D” è stato realizzato incrociando i dati della risonanza magnetica e della Tomografia Computerizzata del fegato del donatore e del ricevente.

In questo modo è stato possibile identificare un’anomalia anatomica che probabilmente avrebbe impedito la buona riuscita dell’intervento. La possibilità di avere a disposizione sia il modello 3D dell’organo sia l’estratto dell’albero circolatorio dei vasi irroranti e delle vie biliari è stato di grande utilità. Non solo per le fasi preparatorie dell’intervento ma anche come riscontro in più durante l’intervento, che richiede procedure molto delicate di isolamento dei vasi sanguigni e delle vie biliari dell’organo da prelevare. Avere a portata di mano la ricostruzione in scala 1:1 dell’organo durante l’intervento per osservare i riferimenti anatomici, riprodotti fedelmente, ha facilitato le diverse fasi del prelievo, tant’è che il trapianto è stato portato a termine con successo.

La possibilità di procedere con la ricostruzione in 3D dell’organo è una strada praticabile laddove il trapianto sia programmabile, come nel caso della donazione da vivente di rene e di fegato, ma si dimostra anche molto utile nel caso di interventi sempre più evoluti e complessi, nello studio e nella preparazione di resezioni epatiche complesse per patologia tumorale. 

LA COLLABORAZIONE TRA DIVERSE REALTA’

Giova infine ricordare che questi risultati sono il frutto della sempre più stretta collaborazione tra i clinici e il mondo della ricerca biotecnologica dell’Università e dell’industria, compresa quella aerospaziale: prove di biostampa sono state effettuate infatti a 400 chilometri di altitudine, nei laboratori della Stazione Spaziale Internazionale, dove per esempio è stato condotto con successo il primo tentativo di stampa di tessuti molli, superando i problemi generati dalla forza di gravità sulla terra, dove i bioinchiostri devono essere miscelati con agenti addensanti o con i materiali che costituiranno l’impalcatura, per non collassare sotto il loro stesso peso.

Dottor Sergio Vesconi, responsabile scientifico di Fondazione Trapianti