Stampa 3D: nuovi modelli per studiare il cancro

La stampa 3D nel campo biomedicale, rappresenta una tra le innovazioni tecnologiche dalle numerose potenzialità, come lo studio mediante repliche anatomiche tridimensionali del paziente, per consentire difficoltose operazioni chirurgiche, oppure la realizzazione di protesi “su misura”.

Un particolare campo di sviluppo è costituito dalla biostampa 3D, che consente la creazione di strati di cellule, dei veri e propri tessuti organici. Tale tecnica utilizza un’impalcatura, detta scaffold, disegnata utilizzando software CAD e stampata in 3D attraverso “bioinchiostri”, materiali biocompatibili come cellule staminali o dell’organo che si intende replicare. Essa consente migliore accuratezza della geometria da realizzare, controllo della porosità e delle interconnessioni interne al materiale.

Nel corso degli ultimi anni, sono state numerose le sperimentazioni con lo scopo di replicare e stampare anche il tessuto osseo, tra le quali lo studio condotto dai ricercatori della Rice University, che già nel 2015 avevano utilizzato una stampante open-source per realizzarne degli scaffold. Il team ha migliorato il modello sviluppato, consentendo recentemente di evidenziare come le cellule del sarcoma di Ewing rispondono a vari stimoli, con lo scopo di rendere più efficace il trattamento di tumori ossei, in un futuro quanto mai breve.

Il sarcoma di Ewing rappresenta un tumore osseo che può presentarsi comunemente nella pelvi, nella tibia e nel femore, che purtroppo colpisce prevalentemente gli adolescenti e generalmente più gli uomini che le donne. In Italia l’incidenza annuale di tale neoplasia è stimata a circa 60 casi, tra questi più della metà sono soggetti di età inferiore ai 20 anni. Le cause dell’insorgenza sono al momento sconosciute; l’attuale tendenza è quella di agire mediante trattamento radio e/o chemioterapico e, nei casi in cui sia possibile, ricorrere attraverso intervento chirurgico.

IL BIOPRINTING, COME STUDIARE LA GENESI DEL SARCOMA

Lo studio condotto dai ricercatori della Rice University, guidati dal bioingegnere Antonios Mikos, ha consentito la realizzazione di scaffold 3D, che consentano di replicare il microambiente di sviluppo del sarcoma di Ewing e l’analisi delle interazioni tra le nicchie di cellule tumorali. Gli scaffold sono stati sintetizzati mediante reazione di polimerizzazione step-growth di idrogeli e polipropilene fumarato (PPF), polimero biodegradabile e reticolabile, particolarmente adatto ad applicazioni legate al tessuto osseo.

I sarcomi presentano una struttura eterogenea, pertanto la complessa disposizione delle cellule tumorali, può impedire il trasporto di massa e il rilascio di farmaci. Gli scaffold realizzati per riprodurre il tessuto osseo colpito dal sarcoma di Ewing, sono stati ottenuti mediante elettrospinning, che consente di ottenere filamenti continui di materiale sintetico e di diametro pari a pochi micron.

Il team ha realizzato delle superfici con una dimensione dei pori pari a 1 mm (L), 0.6mm (M), 0.2 mm (S), poiché nella realtà la dimensione di questi varia tra 0.01 e 0.5 mm per le ossa lunghe e fino ad 1 mm per l’osso trabecolare, sito piuttosto frequente per lo sviluppo del sarcoma.

Combinare i layer secondo tre diverse disposizioni degli strati, con diversa porosità, ha consentito di variare l’ampiezza delle sollecitazioni di taglio esercitate sulle cellule tumorali.
Successivamente gli scaffold tridimensionali sono stati seminati con cellule del sarcoma di Edwing, coltivate mediante condizioni statiche o l’uso di bioreattori a perfusione. In quest’ultimo caso, lo scaffold viene introdotto all’interno di una camera di coltura e investito da un flusso di cellule.

Lo studio ha dimostrato i layer sottoposti a flusso, presentanti pori più piccoli, pertanto caratterizzati da ridotta permeabilità, mostrano elevata proliferazione di cellule tumorali (in particolare le orientazioni LMS e SML). Inoltre in tali condizioni, le cellule presentano maggiore sforzo di taglio a causa dell’aumentata produzione del fattore di crescita insulino simile IGF-1. Lo stimolo a cui le unità biologiche rispondono, rappresenta la forza agente sul sarcoma dovuta ad un fluido viscoso, come ad esempio il sangue che scorre attraverso l’osso.

Il fattore di crescita IGF-1 presenta un ruolo fondamentale nei processi di crescita del bambino, promuove la proliferazione e la differenziazione cellulare, soprattutto a livello cartilagineo e muscolare. In particolare, esso è un ligando sulla superficie delle cellule del sarcoma di Ewing e rappresenta un fattore critico per la resistenza alla chemioterapia.

“L’obiettivo di questo studio è stato l’utilizzo della stampa 3D per controllare il microambiente in vitro e definire il fenotipo delle cellule ES, che nel futuro avrà l’enorme vantaggio di modellare l’eterogeneità intratumorale dei pazienti affetti da cancro e di sperimentare in vitro risposte alle terapie”.

I ricercatori hanno infine pianificato il miglioramento del modello realizzato, consentendo lo studio di metastasi e la risposta di cellule tumorali al trattamento farmacologico.