Approcci sperimentali di ingegneria dei tessuti

Mi chiamo Ali Kamasi e attualmente sono assistente professore presso la Divisione di Scienze e Tecnologie della Salute del MIT di Harvard. E ho un appuntamento congiunto con la Harvard Medical School, in particolare al Brigham and Women's Hospital, che è affiliato alla Harvard Medical School. E le mie aree di ricerca sono nell'ingegneria tissutale su microscala e nell'area dei biomi.

Quindi il mio background accademico è più che altro e inizialmente ho iniziato con l'ingegneria chimica. Ho fatto la mia laurea in ingegneria chimica all'Università di Toronto, e successivamente mi sono interessato molto all'ingegneria più orientata alla biologia. Così ho fatto un master in ingegneria biomedica proseguendo all'Università di Toronto, lavorando specificamente sulla differenziazione delle cellule staminali.

E poi sono arrivato al MIT e ho fatto il mio dottorato di ricerca con il professor Robert Langer in bioingegneria. E successivamente, dopo alcuni mesi di postdoc, sono entrato a far parte della mia posizione attuale. Le aree di ricerca su cui ci concentriamo sono davvero all'interfaccia tra biologia, ingegneria e scienza dei materiali.

Quindi, e quello che stiamo cercando di fare è cercare di affrontare le domande a cui i biobiologi hanno cercato di rispondere per molto tempo, ma che cercano di farlo in un modo che in precedenza non poteva essere fatto introducendo nuove tecnologie e nuove prospettive, nella comprensione di queste domande. E uno dei principali problemi medici che stiamo cercando di affrontare è proprio questa carenza di organi. Come possiamo generare organi tridimensionali che potrebbero essere potenzialmente trapiantati in modo che, sai, perché, ovviamente, c'è un'enorme carenza di organi professionali, e molti pazienti richiedono organi trapiantabili e ci sono enormi liste d'attesa.

Quindi una delle cose che noi e altre persone nel campo dell'ingegneria tissutale cerchiamo di fare è cercare di generare approcci in cui possiamo realizzare tessuti artificiali. E seguendo lo stesso concetto, uno dei principali problemi che esiste in questo momento, che è anche nella scoperta di farmaci e nella ricerca di nuovi farmaci, è come possiamo generare modelli migliori che rappresentino i tessuti al di fuori del corpo in modo da poter testare farmaci e sostanze chimiche e vedere quali sono i loro effetti su questo tipo di tessuti. E poi, una volta che siamo in grado di farlo correttamente, allora possiamo avere un comportamento predittivo molto migliore di quali farmaci saranno effettivamente efficaci.

Quindi non si hanno i richiami dei farmaci dopo che sono stati approvati e gli effetti collaterali e si può avere un processo di scoperta dei farmaci molto migliore. I dispositivi microfluidici sono una sottosezione di ciò che chiamiamo tecnologie su microscala. E su questa tecnologia su microscala, io, forse spiegherò cosa iniziare con quello.

Quello che stanno cercando di fare è cercare di imitare la complessità dei tessuti biologici o dei sistemi biologici. Quindi la maggior parte delle celle si aggira intorno alle decine di micrometri. E per capire davvero le cellule a quelle dimensioni, è necessario disporre di tecnologie per essere in grado di progettare ciò che una cellula vede e ciò che una cellula percepisce su scale di lunghezza che vanno da molto più piccole di 10 micrometri a più grandi di 10 micrometri.

Quindi si possono avere singole cellule ed essere in grado di manipolare l'ambiente circostante. Quindi quello che un sistema come la microfluidica ci permette di fare è provare, ci permette di avere un controllo molto stretto su come i fattori solubili vengono consegnati alle cellule. Un esempio di ciò è la possibilità di avere un canale microfluidico e generare un gradiente di concentrazione di a, una chemochina o un fattore di crescita o una citochina.

E ciò che ci permette di fare ora è cercare di imitare ciò che accade durante il normale sviluppo o all'interno di sistemi biologici in cui ci sono gradienti di concentrazione in tutto un organismo che in realtà dice alla cellula cosa dovrebbe fare. Quindi, con i sistemi microfluidici, possiamo generare questo tipo di complessità biologica in modo controllato molto rapido e quindi analizzare il comportamento delle cellule direttamente in, in esposizione a questo tipo di gradienti di concentrazione o segnali biologici biologicamente e spazialmente orientati. L'ingegneria tissutale è nata circa 20, 30 anni fa con l'idea di provare a utilizzare cellule trapiantabili e fonderle con materiali in modo da poter generare tessuti tridimensionali migliori, ed è iniziata inizialmente con persone che cercavano di ottenere materiali biodegradabili, di ricavarne schiume.

E quindi, sai, sono strutture molto porose. E poi seminare queste schiume con le cellule. Quindi, mentre le cellule si muovono all'interno di questa schiuma, si depositano in luoghi particolari e con il passare del tempo, le cellule inizieranno a depositare la propria matrice biologica.

E poiché questi materiali sono biodegradabili, i materiali si degradano nel tempo e ciò che ti rimane è un tessuto completamente biologico. E questo approccio è stato particolarmente utile per alcuni organi più semplici, come la cartilagine. E in realtà ci sono state cose come la nostra pelle artificiale che è stata effettivamente approvata dalla FDA.

Quindi è stato clinicamente fattibile. Dove questo approccio potenzialmente potrebbe avere più bisogno di aiuto è per quanto riguarda strutture più complesse come, come il cuore o il fegato, dove si hanno interazioni cellulari molto controllate e complessità e architettura molto controllate su micro scala. Una delle idee originali dell'ingegneria tissutale era che quando si inseriscono le cellule, le cellule si riorganizzano per generare parte di questa complessità che si vede nel corpo normale.

Ma questo, e quello succede fino a un certo punto, ma non succede fino in fondo. Quindi, un organo di ingegneria tissutale a livello di microstruttura, sarebbe ancora diverso da un vero tessuto biologico nativo. E questo perché le cellule non si assemblano come farebbero completamente durante, durante, durante lo sviluppo.

Quindi, quello che cerchiamo di fare è, per quanto riguarda la microscala e l'ingegneria tissutale mobile su microscala, cercare di recuperare questa complessità. Come lo facciamo? Quindi, e quali sono le complessità che vogliamo generare?

Beh, una delle cose è che i tessuti di vascolarizzazione sono molto, molto vascolari e quell'approvvigionamento che fornisce al tessuto ossigeno e sostanze nutritive e altre cose di cui ha bisogno. Quindi in questo momento è molto difficile arrivare a progettare grandi strutture di tessuti ed essere in grado di fornire a tutte le cellule la giusta quantità di nutrienti e ossigeno. Una cosa che le tecnologie su microscala ci permettono di fare è in realtà potenzialmente ingegnerizzare il microsistema vascolare direttamente nelle nostre strutture tridimensionali.

Un'altra cosa che le tecnologie su microscala ci permettono di fare è cercare di controllare come i diversi tipi di cellule interagiscono all'interno di questa struttura tridimensionale. Quindi potreste voler avere, sapete, un tipo di cellula in una particolare struttura e avere un tipo di cellula secondaria accanto ad essa, proprio come farebbe nel corpo. E utilizzando le tecnologie su microscala, possiamo provare a recuperare questo tipo di geometrie e complessità che sono presenti nel corpo all'interno della nostra struttura tridimensionale.

Quindi non dobbiamo necessariamente sperare che si automontino direttamente all'interno delle impalcature. Ci sono una serie di sfide. Una delle sfide principali per quanto riguarda il modo in cui possiamo ingegnerizzare i tessuti è che, anche se creiamo un tessuto tridimensionale, vogliamo comunque che sia funzionale e che ci sia una varietà di funzioni metaboliche meccaniche e biochimiche che i tessuti normali svolgono, di cui questi organi di ingegneria tissutale hanno bisogno per, sai, per ricatturare e imitare.

Quindi, quello che è stato un problema in questo momento è che molti organi di ingegneria tissutale non sono all'altezza delle loro prestazioni biologiche native. E parte del problema è per quanto riguarda i tipi di materiali che utilizziamo in questo momento, non sono necessariamente ottimizzati per una varietà di applicazioni diverse. E sapete, noi, noi attualmente, abbiamo ancora bisogno di capire meglio la biologia dello sviluppo e la biologia della guarigione delle ferite per essere in grado di ricreare le condizioni che permettono alle cellule all'interno di queste impalcature tridimensionali di andare davvero fino a quello che sapete, che avrebbero nel corpo durante il normale sviluppo o né la normale guarigione delle ferite in modo da poter ottenere strutture finali che imitano effettivamente un veramente rigenerato o, sai, tessuti sviluppati.

E la biologia è ancora in fase di esplorazione e sviluppo. Quindi, sai, una cosa è la biologia, l'altra sono i materiali migliori. E infine, penso che un grosso problema sia ancora la fonte cellulare.

Ecco perché è davvero importante cercare di esplorare fonti cellulari alternative, perché le cellule del nostro corpo sono, le cellule staminali adulte sono una potenziale fonte di cellule potenzialmente vitale. Anche cose come l'embrione e anche nuovi approcci che le persone stanno trovando utilizzando, sai, l'uso di cellule della pelle o altre cellule per ottenere cellule molto primitive dove puoi provare a dirigere la loro differenziazione e ottenere una fonte vitale di cellule. Quindi direi che questi sono tre problemi principali, sai, materiali migliori, capire meglio la biologia e ottenere una migliore fonte di cellule entro i prossimi cinque anni.

Ci saranno molti cambiamenti per quanto riguarda l'applicazione di queste tecnologie su microscala sia ai biologi che agli ingegneri dei tessuti. Penso che molte persone si stiano rendendo conto di quanto sia importante studiare davvero sia la biologia che generare tessuti con risoluzione su microscala. E credo che sarà una tendenza molto, sai, continua per i prossimi anni.

E penso che un altro aspetto sia che ci sarà molta più interazione tra le persone che lavorano al prodotto finale, che si tratti di medici clinici e, sai, FDA o altri agenti normativi e, sai, i fondamentalmente e gli uomini d'affari. Quindi c'è, c'è sempre più interazione con queste entità, con i ricercatori di base che cercheranno di tornare indietro e cercare di vedere quali sono i principali problemi nella commercializzazione di parte della scienza che è stata sviluppata. E penso, e come possiamo farlo in un modo che sia sicuro ed eticamente responsabile.

Quindi penso che ci siano ancora grandi passi avanti da fare sia dal punto di vista scientifico, ma anche per quanto riguarda altre cose, ci saranno ancora, molte cose saranno fatte e penso che almeno cinque anni saranno, i primi passi e nei prossimi 10, 15 anni è quando le cose diventeranno davvero interessanti rispetto ad alcune di queste tecnologie, In particolare, per quanto riguarda l'ingegneria tissutale e l'IT, è l'applicazione di queste tecnologie ai saggi di scoperta di farmaci e cose del genere, il modo in cui verranno utilizzate nelle applicazioni del mondo reale dipende davvero dall'organo di cui stiamo parlando e dal tipo di applicazione di cui stiamo parlando. Chiaramente la prima e la più ovvia applicazione per i tessuti artificiali è nell'area della scoperta di farmaci o nell'area della diagnostica, dove si sta cercando di capire meglio i modelli fisiologici che si possono avere in una coltura tissutale al di fuori del corpo ed essere in grado di analizzarli, sondarli per capire meglio la biologia o sondare per capire, Sai, le sostanze chimiche o i farmaci efficaci. E penso che in quell'area, la sfida principale sia quella di ottenere davvero qualcosa che imiti il tessuto nativo nel modo più completo possibile, in modo che se il vostro costrutto tissutale dice che qualcosa è tossico, potete essere molto sicuri che se lo mettete in un animale, allora sarà così, Sarà tossico e sarà molto predittivo della risposta che otterresti nell'animale.

Quindi, e penso che per quanto riguarda le applicazioni terapeutiche effettive, ci siano ancora molti altri ostacoli da superare. E penso che i principali, i principali siano come si comporteranno questi agenti terapeutici, a breve e a lungo termine, perché nessuno ha davvero, veramente capito come, sai, le cellule estranee, diciamo, sai, le cellule di ingegneria tissutale o le cellule staminali guidano le cellule dalle cellule staminali embrionali o sai, da altre persone si comporteranno in... nel mio corpo o nel corpo di qualcun altro a lungo termine. E poi l'altro, penso che ci siano anche altre questioni etiche come, sai, come facciamo in realtà, sai, qual è la migliore fonte di cellule che è, sai, sia eticamente sfidata sfida eticamente responsabile, ma anche scientificamente e clinicamente fattibile e rispetto all'ingegneria effettiva degli organi, penso che lì, la domanda principale è se si può avere qualcosa che sia sicuro e che funzioni correttamente. Ci sono molti meccanismi regolatori che, sai, qualsiasi tipo di organo di ingegneria tissutale deve superare.

E penso che la FDA, a questo punto, stia iniziando a esplorare come regolare effettivamente i tessuti biologici che le persone ingegnerizzano per applicazioni terapeutiche. E penso che ci siano uno o due precedenti per questo tipo di prodotti che stanno per essere commercializzati, ma non c'è ancora un percorso molto standardizzato che sappia esattamente cosa accadrà per portare qualcosa da un laboratorio a un prodotto finale Per quanto riguarda alcuni di questi tessuti biologici artificiali, dipende davvero dall'organo. Quindi, per alcuni di questi aspetti, come la pelle, ce l'abbiamo già.

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

Ma penso che per quanto riguarda cose più piccole come un tessuto cardiaco, sai, e non un cuore completo, siamo molto più vicini. E direi, per quanto riguarda un'applicazione clinica e qualcosa che è effettivamente passato attraverso il processo normativo, sai, è possibile fare qualcosa entro, sai, 15 anni, sai, avere effettivamente pezzi di tessuto cardiaco trapiantabili che si può, si può fare. E penso che la maggior parte di questo sarà in fase regolatoria perché in questo momento per approvare un farmaco ci vogliono 12 anni.

Quindi, anche se abbiamo qualcosa in questo momento, che pensiamo sia perfetto, ci vorrà almeno un decennio per assicurarci che sia sicuro e che svolga anche la funzione corretta in modo da poterlo utilizzare in modo diffuso nei pazienti.