Tecnologia di bioprinting 3D per la riparazione personalizzata delle lesioni cerebrali

Una nuova tecnologia di bioprinting 3D basata su cellule staminali pluripotenti umane (hiPSC) consente di eseguire riparazioni cerebrali su misura. I tessuti risultanti vengono stampati come goccioline a doppio strato e imitano la struttura delle aree danneggiate della corteccia cerebrale. Durante il test ex vivo Nel cervello dei topi, gli impianti si sono collegati con successo ai neuroni ospiti. In definitiva, questi tessuti biostampati potrebbero rappresentare un’alternativa promettente per i pazienti con gravi lesioni cerebrali.

Se le lesioni cerebrali derivano da traumi, ictus, interventi chirurgici o patologie (come l’epilessia), possono causare cambiamenti funzionali significativi, a seconda della loro posizione e dimensione. A seconda della gravità, gli effetti successivi vanno dalle difficoltà cognitive ai disturbi del movimento e della comunicazione. Le tecniche di rigenerazione dei tessuti basate su HiPSC vengono ora esplorate nella speranza di riparare queste lesioni. Gli impianti basati su questo tipo di cellule hanno il vantaggio particolare di ridurre al minimo le risposte immunitarie potenzialmente dannose per l’ospite, per non parlare della loro grande diversità in termini di differenziazione.

Tuttavia, la capacità degli impianti risultanti di imitare la struttura naturale del cervello rappresenta una sfida importante. Infatti, la corteccia cerebrale ha una struttura complessa di 6 strati, ciascuno costituito da neuroni specifici. Dal più esterno al più interno, gli strati da 1 a 4 sono detti superiori, mentre gli altri due sono detti profondi. La connettività intracorticale dei circuiti neurali tra questi strati gioca un ruolo essenziale nelle funzioni cognitive superiori nei mammiferi. Attualmente non esiste alcun impianto cellulare o organoide in grado di imitare adeguatamente questa struttura multistrato, il che ostacola l’efficacia delle terapie rigenerative.

Per superare questa sfida, i ricercatori dell’Università di Oxford hanno avuto l’idea di impiantare strutture semplificate che assomigliano a strati di aree corticali in cui si trovano le lesioni. ” Invece di trapiantare cellule discrete derivate da hiPSC o organi privi di controllo strutturale, ipotizziamo che il trapianto di tessuti che assomigliano alla struttura cellulare dei tessuti danneggiati fornirà trattamenti più efficaci. », spiegano nel loro libro relazionepubblicato sulla rivista
Comunicazioni sulla natura. Grazie alla nuova tecnologia di bioprinting 3D da loro sviluppata, le riparazioni delle lesioni vengono effettuate a seconda della loro gravità e posizione nella corteccia, nonché in base alle diverse caratteristiche dei pazienti.

Viene coltivato sotto forma di gocce

La tecnologia di stampa 3D sperimentata dai ricercatori di Oxford consente di produrre impianti a forma di goccia (circa 1.000 micrometri di altezza e 500 micrometri di larghezza) per imitare un modello a due strati di tessuto corticale. Per fare ciò, le hiPSC vengono prima differenziate in due sottotipi di cellule progenitrici neuronali: uno specifico per lo strato corticale superiore e uno specifico per lo strato profondo. Questi lotti di cellule vengono quindi sospesi in una soluzione per formare due tipi di bioinchiostri, rendendo possibile la stampa del tessuto strato dopo strato. Questa tecnica consente la produzione di tessuti molli strutturalmente definiti, composti da cellule e matrice extracellulare, il tutto senza la necessità di supporto di impalcature.

Dopo l’imprinting, gli strati cellulari progenitori possono maturare, compresa la differenziazione terminale, la crescita e la migrazione. Le strutture risultanti vengono quindi preservate nel laboratorio Per diverse settimane. L’analisi dell’espressione dei biomarcatori specifici di ciascuno strato indica che la struttura sovrapposta è mantenuta correttamente.

Per valutare la loro capacità di integrarsi nell’ambiente ospite, le goccioline sono state coltivate ex vivo Nel cervello dei topi. Dopo una settimana, gli impianti hanno mantenuto la loro morfologia cellulare. Le nuove cellule migrarono oltre i confini dell’ospite trapiantato. L’attività degli ioni calcio ha mostrato che gli impianti erano strutturalmente e funzionalmente integrati correttamente nel cervello dei roditori. “Questo progresso rappresenta un passo importante verso la produzione di materiali che abbiano la struttura e la funzione complete del normale tessuto cerebrale”, ha affermato Yongqing Jin, autore principale dello studio e ricercatore presso il Dipartimento di Chimica dell’Università di Oxford.

Inoltre, la stampa assistita da computer consente di modellare le goccioline in modo che siano disposte in una rete multistrato. Ad esempio, i ricercatori sono stati in grado di sovrapporre una griglia 8x8x8 di cellule colorate con RFP (proteina fluorescente rossa) con un’altra griglia 12x12x12 di cellule etichettate con GFP (proteina fluorescente verde), tutte rivestite con uno strato marcato con RFP. Questa tecnologia ha permesso di produrre strutture tridimensionali (cubiche o di altra forma) su scala submillimetrica. Pertanto, ciò potrebbe consentire la produzione di strutture che imitano i sei strati corticali in modo più accurato e naturale rispetto agli impianti prodotti fino ad oggi.

Tuttavia, Zoltan Molnar, del Dipartimento di Fisiologia, Anatomia e Genetica dell’Università di Oxford e coautore del nuovo studio, spiega: “Lo sviluppo del cervello umano è un processo preciso e sottile con una coreografia complessa. Sarebbe ingenuo crediamo che possiamo ricreare tutto il progresso cellulare che esiste lì.” ” Tuttavia, la nuova tecnologia ci sta già avvicinando alla produzione di impianti personalizzati in grado di risolvere efficacemente le lesioni cerebrali. Inoltre, può fornire modelli più sofisticati per le sperimentazioni sui farmaci nel laboratorio.

fonte : Comunicazioni sulla natura