Migliaia di persone muoiono ogni anno in attesa di un trapianto di organi e molte altre sono afflitte da organi malati. Quelli con lesioni al midollo spinale soffrono di molti altri problemi di salute come risultato della loro incapacità di muoversi e camminare. E mentre ci meravigliamo dell’abilità dei chirurghi in grado di trapiantare un volto o una mano, i risultati sono tutt’altro che perfetti.
L’ingegneria dei tessuti riunisce diverse discipline per creare tessuti viventi per sostituire o riparare la pelle, un organo in avaria o una parte del corpo danneggiata o mancante.
Jay Vacanti e Robert Langer sono ampiamente riconosciuti come i pionieri dell’ingegneria dei tessuti. Il dottor Vacanti, direttore del Centro per la medicina rigenerativa al Massachusetts General Hospital, è anche direttore dei trapianti pediatrici al MGH. Dopo aver visto troppi bambini morire in attesa di trapianti di fegato, ha cercato un modo per far crescere il tessuto epatico. Così ha collaborato con il Laboratorio Langer del MIT. Impiantando un’impalcatura polimerica seminata con cellule epatiche in ratti malati, ora possono far crescere e funzionare nuovo tessuto epatico in poche settimane.
Fino a poco tempo fa, sembrava impossibile immaginare che coloro che avevano danneggiato la spina dorsale o le corde vocali potessero un giorno camminare o cantare di nuovo. Tuttavia, gli ingegneri biomedici vedono semplicemente queste come sfide da superare.
Lavorando con il Dr. Vacanti, gli scienziati del Langer Lab hanno tagliato la spina dorsale dei ratti, rendendoli paraplegici. Hanno poi usato cellule staminali di altri ratti per far crescere il pezzo mancante di midollo spinale su impalcature di polimeri. Dopo aver ricevuto i midolli spinali ingegnerizzati, i ratti paralizzati hanno riacquistato la capacità di camminare di nuovo, anche se con una leggera zoppia.
Scaffold
Le culture di cellule sono state a lungo coltivate in piastre di Petri, ma questi metodi generano grumi di cellule che non possono servire uno scopo funzionale nel corpo umano. Gli scaffold forniscono sia la forma che il supporto per la crescita dei tessuti. Queste impalcature, fatte di polimeri biocompatibili e biodegradabili, devono ospitare e dirigere l’orientamento spaziale di particolari tipi di cellule.
Questo metodo è relativamente facile se vogliamo semplicemente generare cartilagine, che non richiede vascolarizzazione. Ma se speriamo un giorno di generare “parti di ricambio”, dobbiamo essere in grado di creare strutture complesse e naturali che possiedano più tipi di cellule e che possano rifornirsi di nutrienti.
Per costruire un’impalcatura che possa sostenere una matrice cellulare 3D completamente funzionale, vengono impiegate le bionanotecnologie. Singoli fogli 2D sono costruiti e stratificati per imitare l’interazione di un organo e la sua vascolarizzazione.
Semina
Le impalcature sono poi seminate con cellule che sono state coltivate in piastre di Petri. Queste cellule possono essere raccolte da una linea di cellule staminali o da un donatore, in genere il destinatario del trapianto. Il costrutto cellula-scaffold viene poi immerso in un mezzo che incoraggia le cellule a crescere e moltiplicarsi. Man mano che le cellule si moltiplicano, cominciano ad acquisire la forma dell’impalcatura, che alla fine si rompe e viene assorbita dal tessuto.
Cellule staminali
Le cellule staminali adulte possono essere derivate da diversi tipi di cellule, tra cui sangue, ossa, muscoli, pelle, cervello, fegato e follicoli dei capelli. Ma isolarle e coltivarle è difficile. E non è chiaro se le cellule staminali adulte possano veramente differenziarsi. Le cellule staminali embrionali, invece, possono differenziarsi anche mentre si trovano sulle impalcature. Ma le cellule che non si sono ancora differenziate al momento del trapianto potrebbero formare tumori.
Rifiuto
Alcuni tipi di tessuto vengono coltivati in laboratorio prima dell’impianto, mentre altri richiedono l’aiuto del corpo per crescere. E una volta che il tessuto è stato impiantato, c’è sempre la preoccupazione del rigetto. Il laboratorio Langer sta anche lavorando per fornire un mezzo per fornire immunosoppressori in un modo a rilascio temporizzato, mirato solo al sito del trapianto per evitare di immunocompromettere un paziente.
Sfide
Oltre a fornire un apporto di sangue, far differenziare correttamente le cellule staminali ed evitare il rigetto, ci sono diverse altre sfide che devono essere affrontate. Fornire un apporto di sangue significa seminare l’impalcatura con più tipi di cellule – e non tutti questi tipi di cellule crescono allo stesso ritmo. I tessuti vascolari tendono a crescere più lentamente e quindi devono essere prefabbricati all’interno dell’impalcatura complessiva. E il prodotto finale deve avere l’aspetto e il funzionamento che la natura ha previsto. C’è anche il problema di ottenere le approvazioni per l’uso negli esseri umani.
Applicazioni nel mondo reale
Oltre a sostituire organi e tessuti mancanti o danneggiati, i tessuti ingegnerizzati potrebbero anche essere usati per aiutare a testare gli effetti dei farmaci. E alcuni chirurghi estetici stanno osservando gli sviluppi dell’ingegneria dei tessuti con l’obiettivo di far progredire il potenziale della chirurgia ricostruttiva.
I ricercatori hanno già creato tessuti da tutti i tipi di organi. Usando i principi dell’ingegneria, potremmo presto vedere carne viva che assomiglia proprio alla cosa reale – perché è la cosa reale.
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