Imprimarea 3D a evoluat mult de la începuturile sale din anii 1980 și este considerată un instrument esențial în multe procese de fabricație. Acum, însă, cercetători precum bioinginerul italian dr. Riccardo Levato duc tehnica într-o direcție nouă și fascinantă.
Ce-ar fi dacă, pe lângă piesele auto și mobilierul realizat de designeri, am putea imprima organe umane sau am putea regenera țesut uman prin bioimprimarea celulelor vii?
Levato, care este conferențiar în domeniul biofabricării și al medicinii regenerative la Centrul Medical Universitar Utrecht și la Universitatea Utrecht din Țările de Jos, conduce o echipă de cercetători din Belgia, Italia, Țările de Jos, Suedia și Elveția, care a primit finanțare din partea UE pentru a face exact acest lucru.
Ca parte a unei inițiative de cercetare denumite ENLIGHT, care se desfășoară între 2021 și 2025, aceștia dezvoltă un pancreas în miniatură imprimat 3D, format din celule umane.
Cercetătorii speră că demersurile ar putea îmbunătăți fiabilitatea și acuratețea testării noilor terapii pentru tratarea diabetului și, într-o bună zi, ar putea chiar să conducă la posibilitatea de a obține organe cultivate în laborator pentru transplanturi umane.
Matriță vie
Unul dintre materialele de lucru esențiale ale acestei cercetări îl reprezintă celulele stem. Acestea sunt celule care au potențialul de a se dezvolta și forma multe tipuri diferite de țesut uman – celule musculare, celule sanguine, celule cerebrale – în funcție de semnalele pe care le primesc.
Experimentele inițiale, care vizează sprijinirea pacienților cu diabet, au fost efectuate folosind celule producătoare de insulină crescute într-un laborator plecând de la celule stem.
Simpla transplantare a acestor celule într-un pancreas bolnav oferă, totuși, doar o soluție pe termen scurt. Aceasta deoarece celulele nu au suportul adecvat, spune Levato.
„Atunci când aceste celule sunt livrate fără structură, fără vascularizație, fără material de protecție în jurul lor, ele vor muri în timp”, spune acesta. „Procedura nu ține decât câțiva ani și apoi trebuie repetată.”
Levato și echipa ENLIGHT încearcă să remedieze acest lucru prin imprimarea 3D a țesutului uman, a celulelor vii, pentru a forma implanturi tridimensionale complete, vascularizate. Aceasta este o provocare, deoarece celulele vii sunt fragile și nu vor supraviețui unui proces normal de imprimare 3D.
Cercetătorii au abordat problema folosind geluri bogate în apă, numite biocerneluri, care transportă și hrănesc celulele în timpul procesului de imprimare. Apoi, ei trebuie să poată ghida procesul de diferențiere a celulelor, astfel încât organul să se dezvolte în conformitate cu „matrița” sa genetică. Fac acest lucru folosind lumina.
Atingerea luminii
Cercetătorii ENLIGHT au dezvoltat o tehnică nouă de imprimare 3D, care folosește lumina pentru a modela biocerneala care conține celule, în loc să o strecoare printr-o duză ca într-o imprimantă 3D convențională, ceea ce ar deteriora celulele.
„În esență, creăm un fel de hologramă luminoasă a obiectului pe care vrem să-l imprimăm în mijlocul acestui mediu”, spune Levato.
„Acolo unde avem această structură luminoasă 3D, mediul devine solid, iar în rest rămâne lichid, astfel că poate fi eliminat. Celulele sunt prinse în această formă asemănătoare gelatinei, similară matricei extracelulare dintr-un țesut viu.”
Cercetătorii determină apoi celulele să se maturizeze în celule producătoare de insulină, expunându-le la lumină cu lungimi de undă specifice.
În prezent, echipa testează implanturile în laborator, iar cercetătorii speră ca astfel de organoizi imprimați 3D să poată deveni parte a procedurilor standard de dezvoltare a medicamentelor până la sfârșitul acestui deceniu.
Levato avertizează, totuși, că va dura mult mai mult pentru a face organoizii bioimprimați potriviți pentru transplant la pacienții umani.
Fără cruzime
Unul dintre avantajele muncii echipei ENLIGHT este că ar putea reduce considerabil necesitatea testării pe animale. Posibilitatea de a imprima organoizi umani „vii” nu numai că ar îmbunătăți acuratețea testării medicamentelor, dar ar însemna că suferința a milioane de animale de laborator ar putea fi evitată.
Dr. Massimo Vassalli, profesor de bioinginerie la Universitatea din Glasgow din Regatul Unit, duce conceptul de imprimare 3D a țesuturilor vii într-o direcție ușor diferită, dar care ar putea și ea să aline suferința animalelor.
Acesta conduce o inițiativă de cercetare finanțată de UE și denumită PRISM-LT, la care participă mai multe țări. Inițiativa își propune să dezvolte imprimarea 3D rentabilă a unei varietăți de țesuturi vii.
Munca echipei de proiect, care ar urma să se desfășoare până în 2027, ar putea avea aplicații relevante atât în biomedicină, cât și în producția de alimente.
„Scopul proiectului este de a crea o platformă tehnologică care să abordeze producția unei game variate de țesuturi vii pentru aplicații în domeniul sănătății și în industria alimentară”, spune Vassalli. „În fapt, dincolo de utilizările medicale evidente, vedem un rol important pentru bioimprimarea 3D în producția durabilă și nepoluantă de alimente”, mai spune acesta.
Potrivit lui Vassalli, provocarea este de a crea țesuturi eterogene complexe care să imite întocmai textura materialelor vii. De exemplu, carnea conține celule musculare și celule adipoase, dar și celule care formează țesuturile conjunctive.
Pentru a crea carne care să pară reală, cercetătorii trebuie să găsească modalități de a instrui celulele stem să producă exact tipul necesar de țesut într-o structură predefinită – și apoi să susțină procesul în timp.
Rafinarea diferențierii
Cercetătorii explorează o abordare care imită procesele simbiotice din natură. Aceștia amestecă bacterii sau levuri – pe care Vassalli le numește celule lucrătoare sau ajutătoare – cu celulele stem într-o biocerneală de imprimare 3D pentru a ajuta la ghidarea procesului de diferențiere.
„Aceste celule sunt fie bacterii, fie levuri care pot simți direcția în care se îndreaptă celulele și încep să producă substanțe chimice pentru a le ajuta să se diferențieze în continuare”, spune acesta.
Echipa se așteaptă să poată crea cuburi de țesut la scară centimetrică până la sfârșitul proiectului, concentrându-se mai întâi pe măduva osoasă imprimată 3D pentru aplicații medicale și pe un eșantion de carne de cultură marmorată.
„Tehnologia de bioimprimare oferă o flexibilitate îmbunătățită în proiectarea compoziției finale a țesutului. Vine astfel în întâmpinarea nevoilor aplicațiilor personalizate din domeniul sănătății”, spune Vassalli.
„Pentru alimente, va fi nevoie de mai mult timp, deoarece extinderea la scară a tehnologiei va necesita multă energie. O imprimantă 3D pe care o folosim într-un laborator nu ar fi potrivită pentru a produce carne pentru o populație. Există un decalaj tehnologic care trebuie acoperit.”
Articol scris de Tereza Pultarova
Cercetările menționate în acest articol au fost finanțate prin Consiliul European pentru Inovare (CEI). Opiniile persoanelor intervievate nu reflectă neapărat opiniile Comisiei Europene.
Mai multe informații
Acest articol a fost publicat inițial în Horizon, revista de cercetare și inovare a UE.