Un dispositivo capace di costruire “strato su strato” permette ai ricercatori di formare dei complicati tessuti biologici in uno spazio tridimensionale.
di Mike Orcutt
Matrice muscolare: Questa immagine, ricavata utilizzando un microscopio confocale, mostra molteplici strati sottili di un polimero elastico (viola) intrecciato attorno a un tessuto muscolare (verde) estratto da cellule cardiache neonatali di topo.
Adattando un dispositivo programmabile per la produzione di circuiti integrati, un gruppo di ricercatori ha ideato un processo semi-automatico per la costituzione di impalcature (scaffolds) per accompagnare la crescita del tessuto cardiaco a tre dimensioni.
Il metodo, che comporta una fabbricazione strato su strato, consentirà un’indagine più precisa dei segnali tridimensionali che guidano le cellule per organizzare e formare il tessuto, e potrebbe servire come piattaforma per lo sviluppo di tessuti impiantabili.
Gli ingegneri tessutali possono già fare costruzioni tridimensionali di tessuti relativamente semplici, ma le strutture cellulari altamente ordinate, essenziali per la funzione di organi complessi come il cuore, sono molto più difficili da replicare.
Il tessuto si sviluppa in laboratorio da strutture “seeding” normalmente composte da materiale poroso elastico o gelatinoso, con cellule adatte a svilupparsi in tessuti specifici.
La funzione del tessuto cardiaco deriva dalla sua “architettura multiscala” nella quale la singola cellula si adegua alla forma delle fibre multicellulari, che a loro volta formano degli strati di tessuto, spiega Martin Kolewe un ricercatore post-dottorato presso l’Institute of Medical Engineering and Science del MIT.
Un lavoro recente si è focalizzato sul determinare come le cellule sono dirette, in modo da farle allineare correttamente e formare queste componenti gerarchiche, ma questa ricerca è stata limitata a due dimensioni. Kolewe e il capo ricercatore Lisa Freed, del Draper Laboratory, intendono sviluppare un modo per controllare con più precisione il progetto di reti porose, con l’obiettivo di aggiungere una terza dimensione. Un recente articolo su Advanced Materials descrive la ricerca.
Utilizzando le tecniche di fabbricazione adattate dall’industria microelettronica, i ricercatori hanno progettato sottili fogli di un polimero conosciuto come biorubber, disegnati con fori rettangolari in microscala di dimensioni uniformi; hanno poi adattato una macchina programmabile, utilizzata dall’industria elettronica per impilare strati di materiale sottile e costruire tavole di circuiti e complessi circuiti integrati, per impilare i fogli porosi di biorubber uno sopra l’altro. Un programma informatico ha aiutato a posizionare precisamente i pori di ciascun foglio rispetto a quelli del foglio sottostante.
I ricercatori hanno analizzato sistematicamente i vari modelli di pori e hanno dimostrato che si potrebbero produrre “muscoli intrecciati come fasce” da cellule muscolari di topo e cellule cardiache neonatali di topo. Hanno inoltre dimostrato che potrebbero controllare l’orientamento direzionale delle fasce e che il tessuto prodotto da cellule cardiache potrebbe battere in risposta a stimolazioni elettriche
La nuova tecnica di “scaffolding” permette ai ricercatori di configurare un tessuto che imiti un’importante qualità strutturale del tessuto cardiaco chiamata “anisotropia”, spiega Gordana Vunjak-Novakovic, un professore di ingegneria biomedica e scienze mediche alla Columbia University. Questa qualità procura tessuto cardiaco con differenti proprietà meccaniche che dipendono dalla direzione nella quale è allungato.
“A livello microscopico,cellulare e tissutale, hanno davvero riassunto alcune delle caratteristiche strutturali e meccaniche veramente importanti del muscolo cardiaco originario” continua Vunjak-Novakovic, che non era coinvolta nella ricerca.
Questo lavoro potrebbe rappresentare un passo importante verso tessuti cardiaci impiantabili negli esseri umani, ma alcune scoraggianti sfide ingegneristiche rimangono.
Il tessuto progettato deve essere più spesso, e richiederà una rete vascolare per non farlo morire. Deve anche essere progettato per eseguire i compiti altamente specializzati dei muscoli cardiaci.
I ricercatori dovranno dimostrare che i tessuti prodotti da cellule umane possono sopravvivere e portare avanti le funzioni specializzate.
Freed e Kolewe sostengono che il loro sistema relativamente semplice, ha aperto “una nuova progettazione dello spazio”, grazie a un livello di controllo senza precedenti, permette la sistemazione delle reti porose nel biorubber. Tale controllo, dicono, può ora essere utilizzato per indagare con maggiore precisione i fattori tridimensionali che influenzano l’allineamento delle cellule e la formazione di tessuto, e per testare nuovi progetti con l’obiettivo di sviluppare più tessuti organici clinicamente rilevanti.
Essi prevedono inoltre di esaminare la fattibilità del loro tessuto da impiantare sulla superficie del cuore di ratto dopo un attacco di cuore.
(LS)
