Articolo su Rheolution
Cos’è il bioprinting 4D e la sua importanza in biomedicina
del dott. Antoine Frayssinet
Senior Application Specialist presso Rheolution Inc.
Cosa rende il bioprinting 4D diverso dalla stampa 3D?
Gli oggetti stampati in 3D e ricoperti di cellule, destinati all’impianto nel corpo umano, sono progettati per alleviare in modo mirato una specifica degenerazione o malattia. Tuttavia, questi impianti sono statici e inanimati, a differenza dell’ambiente dei tessuti nativi, che è dinamico e in cui i tessuti sono sottoposti nel tempo a stimoli biofisici, biochimici e meccanici variabili. Con la bioprinting 4D, la comunità scientifica ha recentemente integrato il “tempo” come quarta dimensione: gli scaffold e gli idrogel hanno la capacità di evolversi nel tempo dopo essere stati stampati, sia biologicamente, sia con l’applicazione di uno stimolo esterno.
In che modo gli stimoli provocano il cambiamento di forma nei biomateriali 4D?
Innanzitutto, il cambiamento di forma dopo la stampa può essere indotto sottoponendo l’idrogel a stimoli fisici, ad esempio un campo magnetico, una variazione di temperatura (ad esempio con poli(N-isopropilacrilammide) (PNIPAAm) o poli(ε-caprolattone) (PCL)), l’irradiazione luminosa o l’umidità (ad esempio con polietilenglicole (PEG) a doppio strato). L’articolo del mese della scorsa settimana sulla bioprinting 4D ha presentato un esempio concreto di un idrogel a base di alginato, sensibile alla luce e in grado di piegarsi in forme complesse a seconda dell’esposizione alla luce indotta dopo la stampa. La complessità delle forme progettate può essere davvero impressionante: ad esempio, il team del dottor Lewis ha usato fibrille di cellulosa mescolate con acrilammide per riprodurre il disegno di un fiore di orchidea con un inchiostro composito biocompatibile (figura sotto) [3]. Questi idrogel estrusi in massa possono quindi cambiare forma dopo la stampa. L’effetto desiderato dopo la stampa può però essere diverso.
In che modo il bioprinting 4D può consentire il rilascio controllato dei farmaci?
La forma può essere progettata durante il processo di stampa con un approccio multiscala, ad esempio tramite bioprinting a getto d’inchiostro, e il rilascio dei farmaci incapsulati può essere attivato in un secondo momento. I liposomi – microsfere lipidiche a doppio strato che imitano sinteticamente le membrane cellulari – sono stati, ad esempio, stampati contenendo due diverse concentrazioni di sale. Sfruttando questo gradiente di osmolarità indotto, gli autori sono riusciti a modellare macrosfere 3D in grado, in seguito a variazioni di temperatura o di pH, di rilasciare i componenti caricati all’interno di ciascuna microsfera stampata [4].
Cosa sono i microswimmer e come funzionano?
Un altro gruppo dell’ETH di Zurigo ha messo a punto dei nano-idrogeli a base di gelatina metacrilata (GelMA) foto-reticolabile e non citotossica. Sviluppati appositamente per il rilascio mirato di farmaci, questi nano-idrogeli, chiamati anche “microswimmer”, sono stati resi magneticamente sensibili decorandone la superficie con nanoparticelle magnetiche [5]. Stampati con una forma a elica per ottimizzare le loro prestazioni di nuoto nei fluidi corporei, questi microswimmer sono vettori di farmaci stabili che possono essere indirizzati con campi magnetici verso i tessuti bersaglio. Una volta in posizione, possono rilasciare il farmaco di cui sono stati caricati e poi degradarsi rapidamente (5-15 min) grazie alla collagenasi (un enzima che digerisce il collagene e la gelatina), lasciando residui di degradazione non citotossici. In questo caso, la quarta dimensione si esprime come la degradazione enzimatica del gel in un breve lasso di tempo.
In che modo i fattori scatenanti biologici influenzano i biomateriali 4D?
Infatti, segnali biologici come la concentrazione di glucosio o alcuni enzimi specifici possono influire sugli idrogel stampati. Uno studio condotto congiuntamente dall’Università della Carolina del Nord (USA) e dall’Università di Soochow (Cina) ha riportato nel 2018 l’esistenza di un biomateriale a base di polialcool vinilico (PVA) sensibile alle specie reattive dell’ossigeno (ROS), prodotte biologicamente nei microambienti tumorali. Grazie a questa biodegradazione ingegnerizzata, l’idrogel a base di PVA è stato in grado di potenziare la risposta antitumorale in vivo e prevenire la recidiva del tumore, rilasciando localmente il farmaco antitumorale, prima di degradarsi dopo 3 settimane [6]. Seguendo lo stesso principio, biomateriali sensibili al pH come il collagene, la gelatina e la cheratina potrebbero rivelarsi utili in prossimità dei siti di infiammazione, dove i valori del pH scendono.
In che modo le cellule guidano la maturazione 4D degli idrogel?
Le funzionalità degli idrogel rigenerativi possono anche svilupparsi progressivamente con la maturazione dello stesso scaffold, dove le cellule seminate, reagendo all’ambiente circostante, funzioneranno come una microfabbrica per produrre le proprie matrici e i propri profili fenotipici, adattati al tessuto degenerato di destinazione (vedi figura sopra). La natura di questa microproduzione può essere regolata tramite fattori di crescita, fattori di differenziazione (nel caso di cellule staminali seminate) o, ad esempio, tramite le proprietà meccaniche dell’impianto [7]. Tenere conto di questa attività cellulare quando si sviluppa un biomateriale per uso clinico non è in contrasto con la stimolazione post-stampa del biomateriale stesso. Seguendo una tecnica di origami, Kuribayashi-Shigetomi et al. sono riusciti a sfruttare la forza di trazione dei fibroblasti (cellule comuni fusiformi) per generare microstrutture 3D complesse come un cubo, una sfera o un tubo cavo. In questo caso, le cellule sono state seminate su micropiastre di vetro parzialmente ricoperte di fibronectina. La quarta dimensione è stata introdotta grazie alla capacità di queste cellule di esercitare una trazione sul loro ambiente nel tempo, sfruttata per progettare scaffold 3D [8].
Applicazioni pratiche: stent e medicazioni intelligenti
Negli ultimi anni, i biomateriali stampati in 4D sono stati studiati per sviluppare degli stent – strutture cave inserite, ad esempio, in un’arteria o in una vena, per rafforzarne la struttura. Il medico può inserire facilmente lo stent arrotolato all’interno del tessuto umano e poi, con uno stimolo specifico, espanderlo in modo che sostenga efficacemente il vaso sanguigno. Sono stati realizzati modelli di successo utilizzando un biomateriale a base di PEG metacrilato, alginato o acido ialuronico [9][10]. Per concludere questa breve rassegna con un’ultima applicazione, il team del dottor Akbari in Canada ha sviluppato anche una medicazione intelligente: la medicazione rileva le infezioni batteriche monitorando il valore del pH (con una visualizzazione esterna di colori specifici, indicatori visivi che dipendono dal pH misurato). Una volta rilevata l’infezione, l’idrogel stampato rilascia agenti antibiotici sul sito della ferita per contrastare l’infezione [11].
Qual è il futuro del bioprinting 4D nelle scienze della vita?
Con le sue numerose applicazioni, la bioprinting 4D è una tecnologia molto promettente per il settore biomedico. Ci sono ancora alcune sfide da affrontare, come riuscire a controllare l’allineamento delle cellule per riprodurre in modo più fedele i tessuti naturali. Un esempio di allineamento cellulare micro-anisotropico è stato riportato nello studio presentato nel nostro Articolo del mese pubblicato a marzo. Un’altra sfida importante è quella di sviluppare bioinchiostri con caratteristiche adeguate al tessuto degenerato di destinazione, in termini di proprietà meccaniche, popolazione cellulare e fenotipo, natura e complessità della matrice extracellulare. Nel complesso, utilizzando i diversi processi di bioprinting 3D presentati nel nostro ultimo Articolo su Rheolution Ad aprile, la bioprinting 4D sta procedendo con ottimismo dagli studi di “proof-of-concept” verso le applicazioni cliniche.
ElastoSens™ Bio
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Riferimenti
[1] Gao, B., Yang, Q., Zhao, X., Jin, G., Ma, Y., Xu, F., (2016). 4D Bioprinting for Biomedical Applications. Trends Biotechnology, Special Issue: Biofabrication, 34, 746–756.
[2] Yang, Q., Gao, B., Xu, F., (2020). Recent Advances in 4D Bioprinting. Biotechnology Journal, 15, 1900086.
[3] Sydney Gladman, A., Matsumoto, E.A., Nuzzo, R.G., Mahadevan, L., Lewis, J.A., (2016). Biomimetic 4D printing. Nature Materials, 15, 413–418.
[4] Villar, G., Graham, A.D., Bayley, H., (2013). A Tissue-Like Printed Material. Science, 340, 48–52.
[5] Wang, X., Qin, X.-H., Hu, C., Terzopoulou, A., Chen, X.-Z., Huang, T.-Y., Maniura-Weber, K., Pané, S., Nelson, B.J., (2018). 3D Printed Enzymatically Biodegradable Soft Helical Microswimmers. Advanced Functional Materials, 28, 1804107.
[6] Wang, C., Wang, J., Zhang, X., Yu, S., Wen, D., Hu, Q., Ye, Y., Bomba, H., Hu, X., Liu, Z., Dotti, G., Gu, Z., (2018). In situ formed reactive oxygen species-responsive scaffold with gemcitabine and checkpoint inhibitor for combination therapy. Science Translational Medicine, 10(429), eaan3682.
[7] Engler, A.J., Sen, S., Sweeney, H.L., Discher, D.E., (2006). Matrix Elasticity Directs Stem Cell Lineage Specification. Cell, 126, 677–689.
[8] Kuribayashi-Shigetomi, K., Onoe, H., Takeuchi, S., (2012). Cell Origami: Self-Folding of Three-Dimensional Cell-Laden Microstructures Driven by Cell Traction Force. PLOS ONE, 7, e51085.
[9] Ge, Q., Sakhaei, A.H., Lee, H., Dunn, C.K., Fang, N.X., Dunn, M.L., (2016). Multimaterial 4D Printing with Tailorable Shape Memory Polymers. Scientific Reports, 6, 31110.
[10] Kirillova, A., Maxson, R., Stoychev, G., Gomillion, C.T., Ionov, L., (2017). 4D Biofabrication Using Shape-Morphing Hydrogels. Advanced Materials, 29(46).
[11] Mirani, B., Pagan, E., Currie, B., Siddiqui, M.A., Hosseinzadeh, R., Mostafalu, P., Zhang, Y.S., Ghahary, A., Akbari, M., (2017). An Advanced Multifunctional Hydrogel-Based Dressing for Wound Monitoring and Drug Delivery. Advanced Healthcare Materials, 6(19).
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