Il futuro è davvero così lontano, oppure lo stiamo vivendo senza rendercene conto? “Carpe diem” diceva Orazio, e in questo articolo “viviamo il presente” parlando del bioprinting, una delle più promettenti innovazioni per il nostro tempo.

La Biostampa 3D produce rapidamente dei modelli tissutali su piccola scala combinando materiali biocompatibili, cellule e fattori di crescita.¹ L’uso di questi modelli 3D ha applicazioni soprattutto in campo medico, ma in realtà ad oggi la ricerca sta facendo enormi passi in avanti, e con essa le scoperte delle possibili applicazioni del bioprinting nella vita di tutti i giorni. Secondo una ricerca condotta dal 2004 fino al gennaio del 2022 le pubblicazioni di articoli riguardanti questo argomento si sono intensificate a partire dal 2014, con un aumento di circa il 60% negli ultimi dieci anni.² Questo dimostra la crescente importanza che la Biostampa sta raggiungendo in campo medico, in seguito alla crescita della domanda di trapianti di organi, ma anche per test antidroga e per la ricerca biologica e farmaceutica. Inoltre costituisce ad oggi una delle nuove armi per combattere l’impronta ecologica: basti per esempio pensare al consumo della carne che sta aumentando in maniera vertiginosa negli ultimi anni – secondo quanto affermato dalla FAO la domanda di carne aumenterà di tre o quattro volte a livello globale fino a raggiungere le 455 milioni di tonnellate entro il 2050.³

Il termine “carne coltivata” nasce nel 2013, con la produzione del primo hamburger realizzato in laboratorio in seguito agli studi di Mark Post, che ha aperto le porte alla ricerca nel campo delle proteine alternative.⁴

L’uso della Biostampa per la produzione di carne costituisce un approccio innovativo e sostenibile e una valida soluzione per affrontare e risolvere diverse problematiche, quali lo sfruttamento degli animali negli allevamenti intensivi, e per ridurre i rischi di salute e l’inquinamento ambientale. Attualmente si tratta soltanto di una sfida, che potrebbe però aprire le porte a un futuro migliore, per noi e per il nostro pianeta. Essendo una neo-tecnologia numerosi sono ancora, senza dubbio, gli aspetti su cui lavorare per renderla davvero una valida sostituta alla carne “reale”. In una recente intervista condotta a dicembre del 2023, la dottoressa Sandhya Sriram (CEO e cofondatrice di Shiok meats Pte. Ltd) ha affermato che una delle più grandi problematiche da dover risolvere per far divenire la “carne coltivata” parte della nostra alimentazione è proprio l’elevato costo, dovuto alla complessa tecnologia di produzione, accompagnato ovviamente dallo scetticismo dei consumatori. Per far fronte a questo problema si dovrebbe passare dalla produzione di piccoli lotti alla produzione in scala. E c’è anche un problema legislativo: “More countries beyond Singapore and the USA need to develop comprehensive regulatory frameworks for cultivated meat. This will help expand the footprint of companies beyond these two markets”.⁵ Per non dire del ruolo che avrebbe una adeguata informazione dei consumatori sul tema fondamentale per una crescita della domanda nel mercato. Alle aziende produttrici, quindi spetta il compito di condividere apertamente informazioni sulla produzione e su tutti i benefici della carne coltivata, affrontando anche qualsiasi dubbio o preoccupazione da parte dei clienti.⁶

Ma la Biostampa 3D ha fatto grandi progressi anche in ambito medico, con dei risultati davvero significativi nel campo della “stampa degli organi”, che potrebbe costituire la risposta all’aumento del bisogno di trapianti di organi degli ultimi anni. Per esempio, a ottobre del 2022 negli Stati Uniti il numero di persone presenti nella lista d’attesa nazionale per il trapianto degli organi ammontava ad oltre 110.000. Ci sono poi dei dati ancor più allarmanti: ogni giorno circa 20 persone (inserite nelle liste di attesa) muoiono per un mancato trapianto; e negli ultimi dieci anni il numero di persone in attesa di trapianti di organi è aumentato di circa il 7%, mentre il numero di donatori e di trapianti effettuati è rimasto costante.⁷

Il fatto è che un trapianto può avvenire solo dopo che si sia accertata la biocompatibilità dell’organo tra il donatore e il ricevente, al fine di ridurre le possibilità di rigetto da parte dell’organismo. Poiché trovare un donatore compatibile è una delle imprese più difficili, è fondamentale studiare nuove strategie di trattamento alternative per la riparazione e la sostituzione di organi o tessuti, ed è proprio questo uno dei compiti degli ingegneri biomedici. “La richiesta di ingegneri biomedici capaci di lavorare in laboratorio è sempre crescente. Stiamo capendo che l’ingegneria biomedica applicata allo studio della rigenerazione dei tessuti e modellizzazione di malattie è un campo in continua espansione, che sta segnando le basi per un futuro migliore, almeno per quanto riguarda il trattamento di malattie per ora incurabili”. Queste le parole di Gianluca Cidonio, attualmente alla guida del “3D microfluidic Biofabrication Lab”, presso l’Istituto Italiano di tecnologia di Roma (center for life nano & neuro Science).⁸

La Biostampa 3D cerca di creare un modello di tessuto o di organo che meglio si adatti alle caratteristiche del paziente, imitando proprio il corpo umano. Ovviamente i tessuti e gli organi del nostro corpo hanno una struttura estremamente complessa che viene raggiunta nei laboratori co-stampando più tipi di cellule di diverso materiale, isolate poi in un mirato microambiente eterocellulare.⁹

Ci sono ancora tanti ostacoli da superare, ma tanti sono stati i progressi raggiunti. Alcune tra le ricerche più interessanti riguardano la stampa di possibili sostituti della pelle per il ripristino di parti ferite. L’obiettivo finale di questa tecnologia è quello di costruire un equivalente cutaneo completamente funzionale, con canali vascolari e tutte le appendici necessarie (follicoli piliferi, ghiandole sudoripare, ghiandole sebacee).

Attualmente lo skin bioprinting si concentra sulla selezione di materiali ad alte prestazioni impiegabili a livello clinico. Significativi sono anche gli studi sulla produzione di organoidi renali, ottenuti differenziando le cellule staminali pluripotenti in cellule renali e altri tipi di cellule in grado poi di auto-organizzarsi in aggregati cellulari simili alla forma e alla funzione dei reni umani. Gli studi sono in particolare concentrati sulla sfida finale di aumentare il numero di nefroni nel rene stampato in 3D, essenziali per la purificazione dei fluidi.¹⁰

Ci si potrebbe chiedere se questi modelli 3D siano mai stati utilizzati per la cura di un paziente. La risposta è: sì. Recentemente, infatti, la biostampa 3D è stata utilizzata con successo per la riparazione auricolare. Tra i numerosi tessuti che l’ingegneria tissutale cerca di riprodurre, tra quelli meno complessi c’è proprio la cartilagine, che svolge all’interno del nostro corpo un’importante funzione strutturale. Essa appare, rispetto agli altri tessuti, molto più semplice perché priva di arterie e nervi; tuttavia non può autoripararsi, quindi un eventuale difetto o danno porterebbe inevitabilmente alla degenerazione e all’osteoartrosi.¹¹ Per lo studio, approvato dal Comitato Etico del Plastic Surgery Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences, sono stati scelti 5 pazienti di età compresa tra i 6 e i 10 anni, affetti da microtia, una deformità congenita dell’orecchio esterno che può causare gravi danni al benessere psicologico e fisiologico dei bambini affetti. Spiegata in maniera molto sintetica la procedura impiega tecniche avanzate, quali la scansione TC¹² e la ricostruzione 3D per ottenere un’immagine digitale dell’orecchio sano del paziente. Poi, mediante la stampa 3D, viene generato un modello in resina. In seguito, vengono utilizzati materiali biodegradabili per creare l’impalcatura dell’orecchio con la stessa forma del modello in resina. Durante la prima fase dell’intervento chirurgico, viene raccolta la cartilagine dalla zona affetta da microtia per isolare i condrociti. Questi vengono poi espansi e seminati sull’impalcatura dell’orecchio. Dopo circa 12 settimane si riesce ad ottenere un lembo cutaneo di dimensioni adeguate a procedere alla seconda fase chirurgica, durante la quale l’orecchio viene impiantato nel lembo cutaneo. Dei cinque casi totali, quattro hanno mostrato un’evidente formazione di cartilagine dopo 6 mesi dall’impianto. Insomma il padiglione auricolare realizzato mediante l’ingegneria tissutale rappresenta un’alternativa promettente alle attuali opzioni ricostruttive dell’orecchio, ma il suo uso clinico deve essere ancora ottimizzato.¹³

Il Bioprinting 3D svolge un importante ruolo anche nello studio dei tumori e quindi nella scoperta di possibili terapie di cura. Secondo uno studio dell’OMS il cancro è ad oggi la principale causa di morte dopo le malattie CVS.¹⁴ Si pensi che nel 2020 sono stati segnalati, in tutto il mondo, 19,3 milioni di casi di cancro, e ben 10 milioni sono stati i morti. L’analisi delle metastasi di cancro continua ancora ad essere molto complessa e l’articolato microambiente che le caratterizza è difficile da studiare attraverso i modelli in 2D. La biostampa 3D presenta ulteriori vantaggi anche rispetto agli stessi modelli 3D poiché permette di controllare con precisione la progettazione della microstruttura e aiuta così a comprendere meglio il meccanismo di crescita delle metastasi, al fine di selezionare i diversi agenti chemioterapici. Questi modelli vengono infatti utilizzati anche per testare farmaci antitumorali permettendo di valutare le risposte dei singoli pazienti alle cure.¹⁵

In generale, possiamo concludere dicendo che numerose sono le possibili applicazioni di questa tecnologia; molte tra quelle citate sono solo in fase di sperimentazione, altre hanno raggiunto dei risultati davvero significativi, che potrebbero diventare la promessa per un futuro migliore. Nonostante questo, l’uso del 3DBP a livello clinico risulta essere ancora lontano; tutti i progressi ottenuti sono limitati solo alla ricerca preclinica e la “stampa di organi” trapiantabili non è ancora attuabile. Inoltre, si devono considerare le questioni etiche chiamate in causa: la fabbricazione di tessuti e organi potrebbe implicare problemi di biosicurezza e di responsabilità. In aggiunta a ciò, il bioprinting deve ancora essere soggetto a una compiuta valutazione di sicurezza, efficacia e rischio da parte degli enti regolatori.

La strada può dunque sembrare lunga, impervia. Tuttavia, il lontano e tortuoso raggiungimento di un obiettivo non equivale all’impossibilità del raggiungimento, ma solo al necessario bisogno di nuove forze e stimoli.

Mariangela Pucci

 

 

[1] Per ulteriori informazioni si consulti: Thakur, K. K., Lekurwale, R., Bansode, S., & Pansare, R. (2023). 3D Bioprinting: A Systematic Review for Future Research Direction. Indian Journal of Orthopaedics, 57(12), 1949-1967.
[2] ibidem
[3] Si veda anche Tibrewal, K., Dandekar, P., & Jain, R. (2023). Extrusion-based sustainable 3D bioprinting of meat & its analogues: A review. Bioprinting, 29, e00256.
[4] Ibidem
[5] Queste le parole della dottoressa Sandhya Sriram
[6] Per ulteriori informazioni si consulti: A conversation about cultivated meat | Nature Communications (consultato il 22/03/2024)
https://www.nature.com/articles/s41467-023-43984-8
[7] Per ulteriori informazioni si consulti: Reddy, V. S., Ramasubramanian, B., Telrandhe, V. M., & Ramakrishna, S. (2023). Contemporary standpoint and future of 3D bioprinting in tissue/organs printing. Current Opinion in Biomedical Engineering, 100461.
[8] Per ulteriori informazioni si consulti: https://www.ingegneriabiomedica.org/news/tessuti/medicina-rigenerativa-biostampa-3d-ricerca-ingegneri-biomedici/
[9] Ibidem
[10] Ibidem
[11] Per ulteriori informazioni si consulti: Jain, P., Kathuria, H., & Dubey, N. (2022). Advances in 3D bioprinting of tissues/organs for regenerative medicine and in-vitro models. Biomaterials, 287, 121639.
[12] Tomografia computerizzata
[13] Per ulteriori informazioni si consulti: Zhou, G., Jiang, H., Yin, Z., Liu, Y., Zhang, Q., Zhang, C., … & Cao, Y. (2018). In vitro regeneration of patient-specific ear-shaped cartilage and its first clinical application for auricular reconstruction. EBioMedicine, 28, 287-302.
[14] Mortality and Global Health Estimates
https://www.who.int/data/gho/data/themes/mortality-and-global-health-estimates
[15] Per ulteriori informazioni si consulti: Jain, P., Kathuria, H., & Dubey, N. (2022). Advances in 3D bioprinting of tissues/organs for regenerative medicine and in-vitro models. Biomaterials, 287, 121639.