Approcci sperimentali di ingegneria dei tessuti

Il mio nome è Ali Kamasi e attualmente sono professore associato alla Divisione di Scienze della Salute e Tecnologia del MIT di Harvard. Ho anche un incarico congiunto presso la Harvard Medical School, in particolare al Brigham and Women's Hospital, che è un'affiliazione della Harvard Medical School. Le mie aree di ricerca riguardano l'ingegneria tissutale su scala microscopica e l'area dei biomi.

Il mio percorso accademico inizialmente si è concentrato sull'ingegneria chimica. Ho conseguito la laurea triennale in ingegneria chimica presso l'Università di Toronto, e successivamente ho sviluppato un forte interesse per l'ingegneria orientata alla biologia. Così ho proseguito con una laurea magistrale in ingegneria biomedica presso l'Università di Toronto, lavorando specificamente sulla differenziazione delle cellule staminali.

E poi sono arrivato al MIT e ho conseguito il mio dottorato con il Professor Robert Langer in bioingegneria. E successivamente, dopo alcuni mesi di post-dottorato, ho assunto il mio attuale incarico. Le aree di ricerca su cui ci concentriamo riguardano davvero l'interfaccia tra biologia, ingegneria e scienza dei materiali.

Quindi, ciò che stiamo cercando di fare è affrontare domande che i biologi stanno tentando di rispondere da molto tempo, ma provando a farlo in un modo prima impossibile, introducendo nuove tecnologie e nuove prospettive per comprendere questi interrogativi. Uno dei principali problemi medici che stiamo cercando di affrontare è proprio la carenza di organi. Come possiamo generare organi tridimensionali che potenzialmente potrebbero essere trapiantati, considerando che, ovviamente, esiste una grave penuria di organi donabili e molti pazienti necessitano di organi trapiantabili, con liste d'attesa molto lunghe?

Uno dei compiti che noi e altri ricercatori nel campo dell'ingegneria tissutale stiamo cercando di affrontare è sviluppare approcci per creare tessuti artificiali. Nello stesso ordine di idee, uno dei principali problemi attuali, presente anche nella scoperta di farmaci e nella ricerca di nuovi composti, riguarda il modo in cui possiamo generare modelli più efficaci che rappresentino i tessuti al di fuori dell'organismo, in modo da poter testare farmaci e sostanze chimiche e osservarne gli effetti su questi tipi di tessuti. Una volta che saremo in grado di farlo in maniera accurata, potremo ottenere previsioni molto più affidabili sull'efficacia dei diversi farmaci.

Quindi non si hanno, come dire, i richiami dei farmaci dopo che sono stati approvati né gli effetti collaterali, e si può avere un processo di scoperta dei farmaci molto migliore. I dispositivi microfluidici costituiscono una sottocategoria di quelle che chiamiamo tecnologie microscalari. E, riguardo a queste tecnologie microscalari, forse inizierò spiegando proprio questo.

Ciò che stanno cercando di fare è imitare la complessità dei tessuti biologici o dei sistemi biologici. La maggior parte delle cellule ha dimensioni nell'ordine di decine di micrometri. Per comprendere veramente le cellule a queste scale dimensionali, è necessario disporre di tecnologie in grado di ingegnerizzare ciò che una cellula vede e ciò che una cellula percepisce su scale di lunghezza che vanno da molto inferiori a 10 micrometri a superiori a 10 micrometri.

È quindi possibile disporre di cellule singole e manipolarne l'ambiente circostante. Un sistema come la microfluidica ci permette di esercitare un controllo molto preciso sul modo in cui i fattori solubili vengono forniti alle cellule. Un esempio di ciò è la possibilità di utilizzare un canale microfluidico per generare un gradiente di concentrazione di un chemiochimico, un fattore di crescita o una citochina al suo interno.

E ciò che ora ci consente di fare è cercare di imitare ciò che avviene durante lo sviluppo normale o all'interno di sistemi biologici in cui esistono gradienti di concentrazione lungo un organismo, i quali in realtà indicano alle cellule quale comportamento assumere. Pertanto, grazie ai sistemi microfluidici, possiamo generare questo tipo di complessità biologica in modo rapido e controllato, analizzando direttamente il comportamento cellulare in presenza di gradienti di concentrazione o di segnali biologici orientati spazialmente. L'ingegneria tissutale è nata probabilmente circa 20, 30 anni fa con l'idea di utilizzare cellule trapiantabili e combinarle con materiali, al fine di generare tessuti tridimensionali migliori; inizialmente, si cominciò con il tentativo di ottenere materiali biodegradabili e trasformarli in schiume.

E quindi, come sapete, si tratta di strutture molto porose. Successivamente, si seminano queste schiume con cellule. Man mano che le cellule si muovono all'interno di questa schiuma, si posizionano in determinati punti e, con il passare del tempo, cominceranno a depositare la propria matrice biologica.

E poiché questi materiali sono biodegradabili, si degradano nel tempo e ciò che rimane è un tessuto completamente biologico. Questo approccio si è rivelato particolarmente utile per organi più semplici, come ad esempio la cartilagine. Esistono effettivamente prodotti quali la nostra pelle artificiale che è stata approvata dalla FDA.

Quindi è risultato clinicamente praticabile. Dove questo approccio potrebbe potenzialmente beneficiare di ulteriore aiuto è per quanto riguarda strutture più complesse come il cuore o il fegato, in cui si hanno interazioni tra cellule molto controllate e una complessità e architettura altamente regolamentate a livello microscopico. Uno dei concetti iniziali dell'ingegneria tissutale era infatti che, una volta posizionate le cellule, queste si riorganizzassero autonomamente per generare effettivamente parte della complessità osservabile nel corpo normale.

Ma questo, e in una certa misura accade, ma non avviene completamente. Pertanto, a livello di microstruttura, un organo ingegnerizzato sarebbe comunque diverso da un tessuto biologico veramente nativo. E ciò è dovuto al fatto che le cellule semplicemente non si assemblano come farebbero completamente durante, durante, durante lo sviluppo.

Ciò che cerchiamo di fare, in relazione all'ingegneria tissutale su scala microscopica e al movimento dei tessuti a tale scala, è tentare di riprodurre nuovamente questa complessità. Ma come facciamo a realizzarlo? E quali sono le complessità che vogliamo ricreare?

Beh, una delle caratteristiche dei tessuti vascolarizzati è che sono molto, molto vascolarizzati, e questo sistema fornisce al tessuto ossigeno, nutrienti e altre sostanze di cui ha bisogno. Al momento è molto difficile riuscire a ingegnerizzare strutture tessutali di grandi dimensioni ed essere in grado di fornire a tutte le cellule le quantità adeguate di nutrienti e ossigeno. Una delle possibilità offerte dalle tecnologie su scala microscopica è quella di poter ingegnerizzare direttamente la microvascolatura all'interno delle nostre strutture tridimensionali.

Un'altra cosa che le tecnologie in microscala ci permettono di fare è tentare di controllare come diversi tipi cellulari interagiscono all'interno di questa struttura tridimensionale. Potreste voler posizionare, ad esempio, un certo tipo cellulare in una struttura particolare e un secondo tipo cellulare accanto ad esso, proprio come avviene nel corpo. Utilizzando tecnologie in microscala, possiamo cercare di riprodurre geometrie e complessità simili a quelle presenti nel corpo all'interno della nostra struttura tridimensionale.

Quindi non dobbiamo necessariamente sperare che queste strutture si autoassemblino direttamente all'interno degli scaffold. Esistono diverse sfide. Una delle principali sfide, in relazione a come possiamo ingegnerizzare i tessuti, è che, anche se realizziamo un tessuto tridimensionale, vogliamo comunque che sia funzionale, e vi sono numerose funzioni meccaniche, biochimiche e metaboliche svolte dai tessuti normali che questi organi ingegnerizzati devono, per così dire, riprodurre e imitare.

Il problema attuale è che molti organi ingegnerizzati non raggiungono le prestazioni biologiche dei loro omologhi naturali. Parte di questo problema è legato ai tipi di materiali attualmente utilizzati, che non sono necessariamente ottimizzati per diverse applicazioni. Inoltre, dobbiamo ancora comprendere meglio la biologia dello sviluppo e la biologia della cicatrizzazione, al fine di ricreare condizioni che permettano alle cellule all'interno di questi scaffold tridimensionali di evolvere completamente, come farebbero nell'organismo durante uno sviluppo normale o una normale riparazione tissutale, ottenendo così strutture finali che imitano effettivamente tessuti veramente rigenerati o sviluppati.

E la biologia è ancora in fase di esplorazione e sviluppo. Quindi, sapete, una questione riguarda la biologia, un'altra riguarda materiali migliori. E infine, penso che un problema importante rimanga la fonte cellulare.

Sai, è proprio per questo che è molto importante cercare di esplorare fonti cellulari alternative, perché le cellule del nostro corpo, cioè le cellule staminali adulte, rappresentano una fonte potenzialmente molto valida. Inoltre, anche le cellule embrionali e i nuovi approcci che le persone stanno scoprendo, come l'utilizzo di cellule della pelle o di altri tipi cellulari per ottenere effettivamente cellule molto primitive, dalle quali si può tentare di indirizzare la differenziazione, offrono una fonte cellulare praticabile. Quindi direi che queste sono le tre principali sfide: sviluppare materiali migliori, comprendere meglio la biologia e ottenere una fonte cellulare più efficace nei prossimi cinque anni.

Ci saranno molti cambiamenti per rendere queste tecnologie su scala microscopica più ampiamente applicabili sia ai biologi che agli ingegneri dei tessuti. Credo che molte persone stiano ora comprendendo quanto sia importante studiare a fondo la biologia e generare tessuti con risoluzione su scala microscopica. E sono convinto che si tratterà di una tendenza destinata a proseguire intensamente nei prossimi anni.

E penso che un altro aspetto sia che ci sarà un'interazione molto maggiore tra le persone coinvolte, il prodotto finale, che si tratti di medici clinici, della FDA o di altri enti regolatori, e fondamentalmente anche le persone del settore commerciale. Quindi ci sarà un'interazione sempre crescente tra queste figure e i ricercatori di base, al fine di tornare indietro e cercare di capire quali siano i principali ostacoli alla commercializzazione di alcune delle scoperte scientifiche sviluppate. E credo che sia importante chiedersi come possiamo farlo in un modo sicuro e responsabile dal punto di vista etico.

Pertanto, credo che dal punto di vista scientifico ci siano ancora notevoli progressi da compiere, ma anche rispetto ad altri aspetti ci sarà ancora molto da realizzare. Penso che almeno nei prossimi cinque anni verranno compiuti i primi passi, mentre nei successivi 10-15 anni le cose diventeranno davvero interessanti, soprattutto per quanto riguarda l’applicazione di alcune di queste tecnologie, in particolare nell’ingegneria dei tessuti e nell’utilizzo di tali tecnologie nei saggi per la scoperta di farmaci. In che modo queste tecnologie verranno impiegate in applicazioni reali dipende fortemente dall’organo e dal tipo di applicazione a cui ci si riferisce. È chiaro che la prima e più ovvia applicazione dei tessuti artificiali riguarda l’ambito della scoperta di farmaci o della diagnostica, dove si cerca di ottenere modelli fisiologici più accurati, che possano essere coltivati in vitro al di fuori dell’organismo e analizzati, oppure esplorati per comprendere meglio la biologia sottostante o per valutare l’efficacia di sostanze chimiche o farmaci. Ritengo che in questo settore la sfida principale consista nel realizzare un modello che imiti il tessuto nativo nel modo più completo possibile, in modo che, se il costrutto tessutale indica che una sostanza è tossica, si possa essere molto certi che tale sostanza risulterà tossica anche in un animale, fornendo quindi una previsione molto accurata della risposta che si otterrebbe nell’animale.

Pertanto, credo che per quanto riguarda le reali applicazioni terapeutiche, ci siano ancora molte più difficoltà da superare. E ritengo che i principali ostacoli siano come si comporteranno questi agenti terapeutici, a breve e a lungo termine, poiché nessuno comprende davvero come cellule estranee, ad esempio cellule derivate da cellule staminali embrionali ingegnerizzate per formare tessuti o cellule staminali, o comunque provenienti da altre persone, si comporteranno nel mio corpo o in quello di un'altra persona a lungo termine. Inoltre, penso che sorgano anche altre questioni etiche, come ad esempio: qual è effettivamente la migliore fonte cellulare che sia al contempo eticamente accettabile e responsabile, ma anche scientificamente e clinicamente fattibile? Per quanto riguarda l'ingegnerizzazione di organi, credo che la domanda principale sia se sia possibile ottenere un organo che sia sicuro e che funzioni correttamente. E ovviamente esistono molti meccanismi di regolamentazione che qualsiasi organo ingegnerizzato deve superare.

E penso che in questo momento la FDA stia iniziando a esplorare come regolamentare effettivamente i tessuti biologici che le persone ingegnerizzano per applicazioni terapeutiche. E credo che esistano uno o due precedenti per questo tipo di prodotti che arrivano alla commercializzazione, ma non c'è ancora un percorso molto standardizzato che indichi esattamente cosa accadrà per portare qualcosa dal laboratorio al prodotto finale. Per quanto riguarda alcuni di questi tessuti biologici artificiali, dipende davvero dall'organo. Per alcuni, ad esempio la pelle, sappiamo già che ce l'abbiamo.

Per qualcosa come un cuore, un cuore completo, direi che siamo ancora molto lontani. Sa, direi forse, beh probabilmente 50, voglio essere molto conservativo. Potrebbe accadere prima, ma ci sono molte sfide da superare per ottenere un organo che abbia la giusta complessità e funzioni correttamente come farebbe un tessuto biologico normale.

Ma credo che per quanto riguarda elementi più piccoli, come un tessuto cardiaco, insomma, e non un cuore completo, siamo molto più vicini. E direi che, per quanto concerne un’applicazione clinica e qualcosa che abbia effettivamente superato il processo regolatorio, è possibile realizzare qualcosa entro, diciamo, 15 anni, per ottenere effettivamente frammenti di tessuto cardiaco trapiantabili. E penso che gran parte del tempo sarà necessaria per la fase regolatoria, perché attualmente per approvare un farmaco ci vogliono 12 anni.

Quindi anche se abbiamo qualcosa in questo momento che riteniamo perfetta, sapete, ci vorranno almeno dieci anni per assicurarsi che sia sicura e svolga correttamente la sua funzione, in modo da poterla utilizzare in maniera diffusa sui pazienti.