Dentro lo sforzo di stampare i polmoni e dar loro vita con le cellule staminali

Per gentile concessione di 3D Systems

Il mese scorso ho avuto la possibilità di tenere una replica della parte superiore di una via aerea umana: la trachea più i primi due bronchi. Era stato fatto di collagene, il cemento biologico che tiene insieme i nostri corpi. Era scivoloso e cavo, con la consistenza di una pasta cruda.

La struttura era emersa da una stampante 3D delle dimensioni di un frigorifero a Manchester, nel New Hampshire, in un avamposto della United Therapeutics, una società che guadagna più di un miliardo di dollari all'anno vendendo farmaci per curare i disturbi polmonari.

Un giorno, afferma l'azienda, prevede di utilizzare una stampante come questa per produrre polmoni umani in quantità illimitate e superare la grave carenza di organi donatori.

La biostampa del tessuto non è un'idea nuova. Le stampanti 3D possono creare la pelle umana, persino le retine. Eppure il metodo, finora, è stato limitato a tessuti molto piccoli o molto sottili e privi di vasi sanguigni.

La United invece sta sviluppando una stampante che crede sarà in grado, nel giro di pochi anni, di produrre un profilo solido e gommoso di un polmone con dettagli squisiti, inclusi tutti i 23 rami discendenti delle vie aeree, gli alveoli scambiatori di gas e un delicato rete di capillari.

Un polmone fatto di collagene non aiuterà nessuno: è per un vero polmone quello che un pollo di gomma è per una vera gallina. Quindi United sta anche sviluppando modi per impregnare la matrice con cellule umane in modo che si attacchino e si nascondano in essa, portandola in vita.

Stiamo cercando di costruire le piccole case di legno in cui le cellule possano vivere, afferma Derek Morris, leader del progetto nel gruppo di produzione di organi della United.

Imprenditore d'organo

Il progetto di stampa 3D è l'ultimo di una serie di sforzi ingegneristici lanciati dall'amministratore delegato di United, Martine Rothblatt, un'imprenditrice aerospaziale (era l'amministratore delegato fondatore di Sirius Satellite Radio) che ha cambiato carriera negli anni '90 dopo di lei la figlia ha sviluppato una rara malattia polmonare.

Nel creare lo United, Rothblatt ha sfruttato un farmaco abbandonato che ha raccolto per $ 25.000 in un'azienda che l'ha resa la CEO più pagato nel settore biofarmaceutico lo scorso anno —quando ha anche impostato a record di velocità in un elicottero elettrico. Rothblatt dice che si aspetta che i droni elettrici un giorno portino gli organi dalla sua fabbrica ovunque siano necessari.

Lo United ha già fatto alcune scommesse d'organo rischiose. Una delle sue filiali, Revivicor, fornisce ai chirurghi cuori, reni e polmoni di maiali geneticamente modificati (questi sono stati usati nei babbuini, finora). Un altro, Lung Bioengineering, rinnova i polmoni di donatori umani pompandovi una soluzione calda. Circa 250 persone hanno già ricevuto polmoni che altrimenti sarebbero stati designati come rifiuti sanitari.

Non aspettarti organi completamente fabbricati presto. United, nelle sue proiezioni aziendali, prevede che non accadrà per altri 12 anni. Rothblatt riconosce che la struttura stampata che ho visto è solo un inizio. Sono solo due rami e nessuna cellula, dice.

Anche così, lo sforzo dello United di stampare interi organi, avviato lo scorso anno, potrebbe essere il più grande del settore. Ha assunto una società della Carolina del Sud, 3D Systems, per costruire la stampante e sta pagando un'altra società, 3Scan, per affettare polmoni e creare mappe dettagliate del loro interno. Ha annunci di lavoro per ruoli come Matematico - Progettazione di organi umani.

Il gruppo di produzione di organi della United si trova nello stesso complesso di ex fabbriche tessili di BioFabUSA, un'iniziativa di stampa tissue del Dipartimento della Difesa da 80 milioni di dollari. Dean Kamen, il noto inventore che guida BioFabUSA, afferma che gli incontri con Rothblatt sono stati ciò che lo ha portato a presentare domanda al governo per ospitare l'istituto. Ho visto miracoli con cui sta giocando e la frustrazione dell'attrezzatura che sta usando per farlo, dice. Per Kamen, i biologi sono ostacolati da quella che chiama la tecnologia dei flaconi e dei bicchieri del XIX secolo.

Stampa 3D

La stampante al collagene utilizzata da 3D Systems ora funziona secondo un metodo chiamato stereolitografia. Un laser UV lampeggia attraverso una pozza poco profonda di collagene drogato con molecole fotosensibili. Ovunque il laser indugi, il collagene si indurisce e diventa solido. A poco a poco, l'oggetto da stampare viene abbassato e vengono aggiunti nuovi livelli.

Il CEO di United, Martine Rothblatt Andre Chung | Wikimedia Commons

La stampante può attualmente depositare collagene con una risoluzione di circa 20 micrometri, secondo United. La stampa dei dettagli anatomici di un polmone, tuttavia, richiederà caratteristiche di dimensioni inferiori a un micrometro.

Quando vedi la complessità del polmone, ciò che la natura fa dal concepimento alla nascita, non c'è modo di lavorarlo o modellarlo. La stampa 3D è l'unico modo che abbiamo per creare quella geometria, afferma Pedro Mendoza, direttore della biostampa di 3DSystems.

Mendoza afferma che 3D Systems prevede di importare tecniche dall'industria dei semiconduttori, come maschere, specchi e laser più potenti, per migliorare la risoluzione della stampante. Anche la velocità è un problema. La struttura che ho visto ha impiegato 12 ore per la stampa. Un'impalcatura polmonare completa e dettagliata richiederebbe un anno per essere costruita con la stessa stampante.

Biostampa

Alcuni tessuti biostampati sono vicini a trovare usi medici. Un team in Spagna ha stampato la pelle che pensa possa essere utilizzata su pazienti ustionati. Eppure tutti i tessuti prodotti oggi sono sottilissimi. Devono esserlo, perché mancano di vasi sanguigni. Qualsiasi più grande e un tessuto morirebbero dall'interno verso l'esterno.

Sebbene alcuni ricercatori abbiano stampato prototipi di vasi sanguigni viventi, questi sforzi rimangono incipienti. Finora, nessuno ha rivendicato un premio di $ 300.000 offerto dalla NASA al primo scienziato in grado di stampare un tessuto vivente spesso un centimetro. Un paio di polmoni umani è molto più consistente, pesa circa tre libbre.

Alcune aziende affermano che è ancora prematuro parlare di stampa di interi organi. Pensiamo tutti che ad un certo punto sarà possibile in futuro. La differenza è quanto tempo ci vorrà, dice Sharon Presnell, scienziato capo di Organovo, un'azienda californiana che ha stampato fogli di fegato sottili ed elastici. Riesci a ottenere qualcosa di quelle dimensioni con un sistema vascolare e può sopportare una pressione fisiologica? La maggior parte di noi sta cercando di camminare prima di correre.

Aggiunta di celle

Non Uniti, però. Dice che il problema con altri sforzi è che usano metodi di estrusione, spremendo cellule e proteine ​​​​attraverso aghi sottili. Luis Alvarez, il bioingegnere che dirige il gruppo di produzione di organi dello United, paragona le cellule di stampa a spingere palloncini d'acqua attraverso una cannuccia. Dice: La tua risoluzione di stampa è limitata dalle dimensioni della cella.

Invece, il piano di United è quello di stampare prima un'impalcatura polmonare e poi infondere cellule umane, un processo chiamato ricellularizzazione.

Ci sono prove iniziali che una matrice di collagene può essere riconvertita in un polmone funzionante. Quest'anno, in un esperimento in parte finanziato dalla United, il chirurgo sperimentale dell'Università di Harvard Harald Ott ha riferito di aver pompato miliardi di cellule umane (da cordoni ombelicali e polmoni tagliati a dadini) in un polmone di maiale privato delle proprie cellule. Quando il team di Ott lo ha ricollegato alla circolazione di un maiale, l'organo risultante ha mostrato una funzione rudimentale, sebbene l'esperimento sia durato solo un'ora.

Si ottiene sangue attraverso il sistema e si ottiene uno scambio di gas, afferma Finn Hawkins, un biologo delle cellule staminali della Boston University, che non è coinvolto nel progetto della United. Questo è notevole. Ma è una lunga strada per gli organi trapiantabili.

Hawkins afferma che gli organi di Ott mancavano di tipi cellulari importanti, come le ciglia ondulate che rimuovono il catarro. Inoltre, non è chiaro come ottenere cellule umane nelle quantità necessarie per fornire una futura fabbrica di organi. Non ci sono abbastanza polmoni umani da donatori deceduti per soddisfare la domanda.

La United dice che prevede di utilizzare le cellule staminali per produrre il tessuto necessario nei suoi laboratori, ma neanche questo è un compito facile.

Penso che il bioprinting possa essere la parte meno problematica, dice Hawkins. Non appena menzioni qualcosa di più grande di un mouse, direi che è difficile creare quella quantità di celle.

Nuovi organi

Se gli organi potessero essere prodotti in gran numero, non solo risolverebbe la carenza di organi. Alla fine potrebbe rimodellare la durata della vita umana. Che ne dici di avere un nuovo cuore o polmoni a 80 anni?

Per arrivarci, lo United dovrà tirare fuori non uno ma diversi colpi di luna tecnologici. Tuttavia, Alvarez afferma che la United prevede che i suoi vari progetti tecnologici - l'impalcatura stampata in 3D, la tecnica di ricellularizzazione e il suo sforzo per produrre tessuto polmonare dalle cellule staminali - si intersecheranno tutti in futuro.

Quando arriveremo a stampare la parte più fine del polmone, dice, sapremo come ricellularizzarlo.

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