In un laboratorio molto illuminato a Winston-Salem, nella Carolina del Nord, si trova una macchina che è, in molti modi, simile a una stampante desktop di tipo standard. Ha serbatoi d'inchiostro e ugelli, una ventola interna per mantenerlo fresco e una serie di prese di ingresso che possono essere utilizzate per collegarlo a un computer vicino. È soggetto alla marmellata occasionale. Eppure il dispositivo in acciaio e plastica da 800 libbre è diverso da qualsiasi cosa tu abbia mai incontrato, perché ciò che stampa è vivo: milioni e milioni di cellule umane viventi, contenute in un gel viscoso e tessute attraverso delicati supporti biodegradabili in un tremolante simulacro di tessuto umano.
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Rigenerazione tissutale in situ: reclutamento di cellule ospiti e progettazione di biomateriali
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Ci sono voluti un decennio per numerosi scienziati e ingegneri per costruire e perfezionare il sistema integrato di stampa di tessuti e organi o ITOP. Alla fine, però, è il frutto di un singolo uomo: un dottore di 59 anni dai capelli arruffati di nome Anthony Atala. Nato in Perù e cresciuto fuori Miami, Atala - oggi direttore del Wake Forest Institute for Regenerative Medicine - ha trascorso l'ultimo decennio a tentare di stampare organi viventi.
"Per me, tutto è iniziato a Boston, nei primi anni '90", ricorda il chirurgo urologo e il biotecnologo. "Perché è allora che mi sono trovato faccia a faccia con la carenza di organi da trapianto." All'epoca, Atala stava lavorando al suo primo concerto di scuola post-medica, come ricercatore presso la Harvard Medical School. Ogni settimana, durante i suoi giri al Boston Children's Hospital, incontrava un altro giovane paziente che aveva trascorso mesi o addirittura anni in attesa di un organo sostitutivo. Alcuni sono morti prima di poter trovare un rene o un fegato sostitutivo. Altri hanno avuto gravi risposte immunologiche agli organi trapiantati. Atala credeva che la soluzione fosse chiara, anche se inverosimile: organi coltivati in laboratorio coltivati dalle cellule di un paziente e impiantati chirurgicamente nel corpo.
"All'epoca suonava molto fantascientifico", ha ricordato Atala, "ma ero certo che fosse il futuro". Nel 1999, in un esperimento emblematico, Atala e un team di ricercatori del Laboratory for Tissue Engineering and Cellular Therapeutics all'ospedale pediatrico hanno costruito vesciche sostitutive per sette bambini con una grave forma di spina bifida, una malattia debilitante che può colpire il tratto urinario e l'intestino. Per costruire gli organi, i ricercatori hanno prima costruito impalcature o fondamenta costruite a mano di collagene e polimero sintetico. Hanno prelevato campioni di tessuto dai pazienti e hanno coltivato le cellule da quel tessuto in liquido. Quindi hanno rivestito le basi con le cellule del paziente in questione - cellule muscolari all'esterno e cellule vescicali all'interno - e hanno permesso alle cellule di "cucinare" o crescere sull'impalcatura.
Sette anni dopo che la prima vescica su misura era stata impiantata nei pazienti, Atala e Alan Retik, un urologo dell'ospedale pediatrico, hanno annunciato che tutti e sette i pazienti erano in buona salute. Era la prima volta che organi coltivati in laboratorio venivano usati con successo come sostituti delle loro controparti biologiche in sofferenza. Un giornale ha salutato i risultati come "un Santo Graal di medicina".
Atala era contento. Ma sapeva che costruire organi a mano comportava troppo tempo e sforzi per soddisfare la domanda. Ciò che era veramente necessario era un po 'di automazione in stile Henry Ford. Nel 2004, Atala ha accettato di guidare una simile iniziativa a Wake Forest, che non è lontano dal Research Triangle della Carolina del Nord, un hub biotech e una base di partenza per una manciata di società di stampa 3D.
Quando puoi ordinare una nuova parte del corpo online, devi ringraziare questo medico.Sviluppato originariamente per la produzione, a metà degli anni 2000 le stampanti 3D erano andate ben oltre la plastica. Pensa a un materiale e, probabilmente, qualcuno lo stava stampando: nylon, acciaio inossidabile, cioccolato. "Ho visto un allineamento tra l'istituzione e lo stato per concentrarsi davvero sulla biotecnologia", afferma Atala. "Sapevo che se avessimo spinto queste tecnologie ai pazienti, avremmo avuto bisogno dell'infrastruttura e del supporto sul posto."
Nel corso degli anni, Atala e il suo staff sono stati in grado di sviluppare stampanti in grado di stampare impalcature personalizzate di organi umani, che potevano essere rivestite manualmente con cellule umane o animali. Quindi hanno costruito una stampante in grado di stampare le cellule della pelle direttamente su un paziente, sebbene in quantità estremamente ridotte. Ma la stampa di tessuti si è rivelata una grande sfida, in parte perché il tessuto in espansione richiede anche un flusso costante di sangue e sostanze nutritive. Potevano stampare le cellule di un organo, oppure potevano stampare vasi sanguigni e altri tessuti di supporto, ma non riuscivano a stampare entrambe contemporaneamente in modo tale che l'organo potesse sopravvivere.
Poi è arrivato l'ITOP, con le sue tecnologie essenziali rivoluzionarie. I serbatoi unici mantengono in vita le cellule umane e animali più a lungo dei precedenti modelli di stampanti; e aghi o getti estremamente precisi stampano un reticolo di "microcanali", che misurano 200 micron ciascuno, nel biomateriale. Questi vasi permettono ai nutrienti di fluire attraverso il tessuto. In un articolo pubblicato all'inizio di quest'anno su Nature Biotechnology, Atala e cinque ricercatori di Wake Forest hanno rivelato che la cartilagine, il tessuto osseo e muscolare stampato sull'ITOP era stato impiantato con successo nei roditori e che, due mesi dopo, il tessuto aveva sviluppato un sistema di sangue vasi e nervi. Prove su pazienti umani probabilmente seguiranno nel prossimo anno, in attesa dell'approvazione del governo.
Non ci vuole un futurista impegnato a cogliere le implicazioni. Se e quando una macchina come la ITOP entra in produzione commerciale, un giorno potrebbe essere possibile "ordinare" un pezzo di pelle di ricambio. Man mano che le macchine migliorano, potrebbero evolversi dalla stampa della pelle alla stampa di organi estremamente complessi come i reni. Gli ospedali di tutto il mondo sarebbero dotati dei discendenti dell'ITOP. La carenza di organi sarebbe un ricordo del passato.
Questo è il sogno che ha portato Atala alla biotecnologia e continua a farlo andare avanti. Ma Atala consiglia la pazienza: test di materiale bioprintato sull'uomo potrebbero richiedere anni. Nel frattempo, ha mantenuto la sua pratica di urologia e vede ancora numerosi pazienti alla settimana, oltre a periodi in sala operatoria. "Questo è importante per me", dice, "perché è un promemoria di chi stai servendo - per chi lo stai facendo. Lo scopo di questa tecnologia è migliorare la vita dei pazienti. Punto."
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Questo articolo è una selezione del numero di dicembre della rivista Smithsonian
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