Stampa di impianti da cellule viventi per prevenire l’artrosi
L’artrosi è una malattia degenerativa delle articolazioni che colpisce sia il tessuto connettivo che l’osso sottostante. Sebbene sia generalmente correlata all’invecchiamento della popolazione, l’artrosi può essere indotta anche in pazienti giovani, ad esempio in seguito a gravi lesioni sportive o ad altre cause di trauma ad alto impatto. «I difetti osteocondrali profondi (problemi che interessano sia la cartilagine articolare che l’osso) possono provocare l’artrosi in giovane età», spiega il coordinatore del progetto JOINTPROMISE(si apre in una nuova finestra) Ioannis Papantoniou(si apre in una nuova finestra), della KU Leuven in Belgio. «Una volta che il processo artrosico è stato attivato, non può essere invertito e può portare a interventi chirurgici di sostituzione del ginocchio in età relativamente giovane, spesso tra i 40 e i 50 anni.» Una sfida fondamentale è rappresentata dal fatto che gli attuali impianti sintetici hanno una durata massima di 15 anni e, una volta usurati, devono essere sostituiti. «Durante questo periodo, l’osso del paziente potrebbe degenerarsi ulteriormente, impedendone così la sostituzione», spiega Papantoniou. «Il processo è molto più complesso». L’artrosi può quindi portare a problemi di mobilità permanenti, con costi significativi per il singolo e la società nel suo complesso.
Sincronizzare la rigenerazione di ossa e cartilagine
Il progetto JOINTPROMISE ha cercato di affrontare questa sfida con lo sviluppo di protesi articolari in grado di sincronizzare la rigenerazione della cartilagine e dell’osso sottostante. Affrontando la lesione di fondo, i giovani pazienti avrebbero maggiori possibilità di ripresa ed evitare l’artrosi. Il progetto ha introdotto nuovi sviluppi nella tecnologia degli organoidi, versioni miniaturizzate e semplificate di organi umani coltivati in vitro da cellule staminali. «Gli organoidi che abbiamo sviluppato sono fondamentalmente elementi costitutivi preprogrammati utilizzati per la progettazione di queste protesi», osserva Papantoniou. «Una volta impiantate, sanno come guidare i processi rigenerativi necessari». Un altro elemento chiave del progetto è stata la biostampa. I «bioinchiostri», una miscela di cellule viventi e biomateriali, sono stati utilizzati per stampare strutture tissutali funzionali in 3D.
Ottimizzazione e automazione del processo dei bioreattori
La sfida successiva del progetto era il modo per produrre migliaia o addirittura milioni di questi organoidi su scala. «Per questo, abbiamo costruito una mini-fabbrica con i nostri partner, attualmente ubicata presso la KU Leuven», aggiunge Papantoniou. «Questo processo ottimizzato e automatizzato di bioreattori e biostampanti preleva singole cellule, le trasforma in organoidi e poi le biostampa in impianti più grandi, consentendo la digitalizzazione di questi processi attualmente manuali.» La mini-fabbrica è stata sperimentata e convalidata durante il progetto. La fattibilità e l’efficacia dell’impianto sono state studiate nei modelli animali; il prossimo passo sarà la sperimentazione clinica sull’uomo. «La piattaforma della KU Leuven è stata ulteriormente sviluppata e convalidata dopo il progetto», spiega Papantoniou. «Si tratta di un passo importante verso la produzione di impianti viventi in un ambiente supervisionato, controllato e automatizzato, con un intervento manuale minimo durante la produzione».
Vantaggi degli impianti biotecnologici
Una volta introdotti in ambito clinico, questi impianti biotecnologici potrebbero migliorare notevolmente la qualità della vita dei pazienti, grazie alla rigenerazione dell’osso subcondrale e della cartilagine articolare e alla prevenzione dell’artrosi. Ciò a sua volta comporterà un minor onere per i fornitori di assistenza sanitaria. Papantoniou ritiene inoltre che l’innovazione disponga di un enorme potenziale in varie situazioni: non solo i giovani interessati da lesioni sportive, ma un caso emblematico è rappresentato dai cittadini di aree in guerra soggetti al ferimento. La tecnologia sviluppata per creare bioimpianti su scala potrebbe avere anche altri utilizzi. «Le nostre applicazioni hanno riguardato le articolazioni, ma la piattaforma robotica che abbiamo realizzato, contenente il bioreattore e la biostampante, potrebbe essere utilizzata anche per produrre organoidi renali o cardiaci», osserva Papantoniou. «C’è il potenziale per realizzare diversi tipi di impianti di tessuto per una vasta gamma di pazienti».