Le alghe biostampate in 3D possono essere sfruttate come fonte sostenibile di ossigeno per le cellule umane nei tessuti vascolarizzati ingegnerizzati, i ricercatori riferiscono il 18 novembre sulla rivista Questione . Hanno incorporato le alghe fotosintetiche biostampate, insieme a cellule derivate dal fegato umano, in una matrice di idrogel 3D per creare tessuti a forma di nido d'ape con lobuli, simile al fegato umano. Nel futuro, dicono i ricercatori, l'eco-friendly, l'approccio di bioprinting 3D conveniente può avere un potenziale per applicazioni come la modellazione di malattie, sviluppo di farmaci, medicina rigenerativa e personalizzata, e persino ingegneria alimentare.

"Lo studio è il primo vero esempio di ingegneria tissutale simbiotica che combina cellule vegetali e cellule umane in un modo fisiologicamente significativo, utilizzando la biostampa 3D, ", afferma l'autore senior dello studio Y. Shrike Zhang, bioingegnere presso la Harvard Medical School e il Brigham and Women's Hospital. "Il nostro studio fornisce un esempio unico di come possiamo sfruttare la strategia simbiotica, molto spesso visto in natura, promuovere la nostra capacità di ingegnerizzare tessuti umani funzionali".

C'è una crescente domanda di tessuti artificiali per sostituire quelli che sono stati danneggiati al fine di ripristinare le funzioni degli organi, e negli ultimi dieci anni, Le tecniche di bioprinting 3D sono state utilizzate per fabbricare scaffold tissutali per applicazioni biomediche e di ingegneria dei tessuti. Questo approccio in genere comporta il deposito di un bioinchiostro su una superficie per produrre strutture 3D con architetture e forme desiderate per ricapitolare organi e tessuti, compreso il sistema vascolare, che svolge un ruolo fondamentale nel trasporto di ossigeno e sostanze nutritive in tutto il corpo. Un bioink è essenzialmente un idrogel contenente cellule viventi, biomateriali, e altri integratori per la crescita. Imita la matrice extracellulare del tessuto desiderato e supporta la crescita delle cellule incorporate.

Nonostante i progressi nella fabbricazione di tessuti 3-D, la principale limitazione è stata mantenere livelli di ossigeno sufficienti in tutto il tessuto ingegnerizzato per promuovere la sopravvivenza cellulare, crescita, e funzionante. I ricercatori hanno cercato di affrontare questo problema incorporando biomateriali che rilasciano ossigeno, ma questi in genere non funzionano abbastanza a lungo e talvolta sono tossici per le cellule perché producono molecole come il perossido di idrogeno o altre specie reattive dell'ossigeno. "Un metodo per consentire il rilascio prolungato di ossigeno dall'interno dei tessuti ingegnerizzati è urgentemente richiesto, " dice Zhang.

Per soddisfare questa richiesta, Zhang e i suoi colleghi hanno sviluppato un metodo di biostampa 3D basato sulle alghe per incorporare modelli vascolari all'interno dei tessuti ingegnerizzati e fornire una fonte sostenibile di ossigeno per le cellule umane nei tessuti. Nello specifico, hanno usato alghe verdi unicellulari fotosintetiche chiamate Chlamydomonas reinhardtii. Questa strategia simbiotica avvantaggia anche le alghe, la cui crescita è parzialmente supportata dall'anidride carbonica rilasciata dalle cellule umane circostanti.

Il primo passo ha coinvolto la biostampa 3D delle alghe. I ricercatori hanno incapsulato C. reinhardtii in un bioinchiostro composto principalmente da cellulosa, il principale componente strutturale delle piante, alghe, e funghi. Il bioinchiostro è stato caricato in una siringa munita di ago, e la biostampa per estrusione è stata eseguita utilizzando una biostampante.

Prossimo, i ricercatori hanno incorporato sia le alghe biostampate che le cellule derivate dal fegato umano in una matrice di idrogel 3D. Il C. reinhardtii biostampato ha rilasciato ossigeno in modo fotosintetico e ha migliorato la vitalità e le funzioni delle cellule umane, che è cresciuto ad un'alta densità e ha prodotto proteine ​​​​specifiche del fegato. "In passato era difficile ottenere densità cellulari elevate nei tessuti umani vascolarizzati ingegnerizzati, " dice Zhang.

Finalmente, i ricercatori hanno usato l'enzima cellulasi per degradare il bioinchiostro a base di cellulosa, quindi riempito i microcanali vuoti lasciati con cellule vascolari umane per creare reti vascolari nel tessuto simile al fegato. "Lo sviluppo di un tale bioinchiostro fuggitivo che consente l'ossigenazione iniziale e la successiva formazione di vasi all'interno di un singolo costrutto tissutale non è stato segnalato prima, "Dice Zhang. "Questo è un passo fondamentale verso l'ingegneria di successo dei tessuti vitali e funzionali".

Alla fine, il 3-D vascolarizzato, i tessuti ingegnerizzati ossigenati hanno il potenziale per l'impianto futuro per ottenere la rigenerazione dei tessuti negli esseri umani. Questi tessuti potrebbero essere utilizzati anche per lo screening e lo sviluppo di farmaci, studiare i meccanismi della malattia, ed eventualmente una medicina personalizzata se vengono utilizzate cellule specifiche del paziente.

Un'altra potenziale applicazione della tecnologia di biostampa 3D è l'ingegneria alimentare. Le microalghe rappresentano una ricca fonte di proteine, carboidrati, acidi grassi polinsaturi, carotenoidi, vitamine, e minerali essenziali. Questi composti bioattivi potrebbero essere incorporati in innovativi, prodotti alimentari coltivati ​​per migliorarne il valore nutritivo e promuovere la salute.

Ma nel frattempo, è necessario uno sforzo maggiore per ottimizzare il metodo. Per esempio, i terreni di coltura potrebbero essere migliorati per facilitare la crescita sia di C. reinhardtii che di cellule umane, e le condizioni di luce potrebbero essere sintonizzate per ottimizzare l'apporto di ossigeno dalle alghe. Inoltre, studi approfonditi sulla biosicurezza, tossicità, e l'immunocompatibilità delle alghe sarà importante per la traduzione clinica in futuro. "Questa tecnologia non può essere immediatamente utilizzata per usi umani, " Dice Zhang. "È ancora una prova del concetto e richiederà significativi studi di follow-up per essere tradotto".