La stampa 3D al servizio della salute

In quanti modi le stampanti 3D stanno rivoluzionando la sanità? Se da un lato la stampa di protesi è ormai prassi consolidata, nuove prospettive si aprono per la stampa dei farmaci e dei tessuti e degli organi. Quali opportunità? Il punto con due centri all’avanguardia.

Organ-on-a-chip: dispositivi medici?

Stampa 3D e salute: un passo avanti potrebbe segnarlo il nuovo regolamento sui Dispositivi medici (Mdr). A spiegare perché, Giovanni Vozzi, docente di Bioingegneria e direttore del Biofabrication Lab presso il centro di ricerca E. Piaggio dell’Università di Giovanni VozziPisa, un polo di eccellenza del settore: “Sui dispositivi biomedicali in genere ci sono due aspetti che vanno considerati: innanzitutto la tecnologia avanza molto più rapidamente di quanto possa legiferare il legislatore. Stavolta, a differenza che nelle norme precedenti in tema di dispositivi medici, si prevede che quest’ultimo si debba interfacciare con chi sviluppa la tecnologia per capire cosa c’è dietro e trovare effettivamente metodi per la corretta standardizzazione e certificazione delle tecnologie”.

Finora spesso non venivano tenute in considerazione le caratteristiche dei dispositivi medici ed era difficile anche la classificazione degli stessi, soprattutto da quando ce ne sono che includono i farmaci, come ad esempio uno stent a rilascio controllato. “In concreto, cos’abbiamo davanti? Un dispositivo medico? Un medicinale? – si domanda l’esperto -. A seconda delle ipotesi cambiano i metodi di certificazione e le altre normative.  Ora che si sta sviluppando la rigenerazione dei tessuti, questi cosa sono? Si tratta di strutture polimeriche che vanno a costituire una sorta di protesi; viste come singole cellule possono essere assimilate a un farmaco, ma messe tutte insieme diventano un organo: allora entra in gioco un’altra normativa”.

Va tenuto in conto anche un altro fattore. “La Comunità Europea invita, laddove possibile, alla riduzione della sperimentazione animale. Questo innanzitutto perché l’animale non è un uomo: ha un metabolismo similare ma differente e pertanto serve cercare sistemi che permettano di valutare l’efficacia e la sicurezza dei dispositivi medici con metodi cosiddetti alternativi. Si cerca quindi di usare sistemi basati su cellule umane che consentano di ottenere dei risultati il più possibile simili a quelli dell’organismo umano. Il legislatore si impegna quindi a cercare di capire, laddove ci siano delle lacune, come colmarle. Altrimenti si rischia che tutta una serie di dispositivi medici nuovi non possano uscire sul mercato”.

La stampa 3D si può usare per testare le terapie sulle cellule del paziente e avviare sin dall’inizio la cura con un farmaco a cui si sa che il paziente stesso risponderà

Ad esempio, com’è ormai noto, la stampa 3D si può usare per testare le terapie sulle cellule del paziente e avviare sin dall’inizio la cura con un farmaco a cui si sa che il paziente stesso risponderà. “In Italia è un po’ parlare di fantamedicina perché queste tecniche di stampa tessuti per l’ottimizzazione della terapia in un’ottica di medicina personalizzata non sono ancora presenti – precisa Vozzi -. In realtà, a mancare non sono le competenze, ma i laboratori dedicati a sviluppare questi modelli in vitro. Altri paesi lo stanno già facendo. In America quella di creare “human on a chip” è una prassi ormai quasi consolidata e anche a livello di imprese determinate cose potrebbero essere già sviluppate. Ad esempio un collega ha messo su l’azienda Poietis in Francia, che sviluppa modelli di pelle con e senza peli che vengono usati da L’Oréal per testare cosmetici testandoli su tessuti quanto più possibile simili all’uomo anziché sugli animali. L’immissione sul mercato di farmaci o di principi attivi già testati su questo tipo di modelli ridurrebbe anche l’ipotesi di dover ritirare il medicinale dal commercio per reazioni avverse”.

Poi c’è il grande pro: la versatilità. “Poiché con la stampa 3D la coltura dei tessuti permette di creare copie infinite su cui andare a cambiare i parametri: soggetto giovane, anziano, di mezza età, bambino, oppure si può simulare una patologia. Così si ottiene una simulazione più veritiera della risposta del farmaco e ritagliare meglio i tipo di popolazione su cui, ad esempio, è possibile ottenere una risposta migliore da un certo farmaco”.

Anche se guardiamo al Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR), il tema principe di questi mesi, ci rendiamo conto di come sia molto focalizzato sulla medicina di precisione e personalizzata. “È vero che all’inizio ci sarà un investimento, ma il ritorno è notevole: se riesco a proporre una medicina personalizzata, la persona sta meglio, torna meno in ospedale, torna prima ad una vita normale e resta produttiva ambito lavorativo e così via – sostiene il professore -. Il discorso è quindi di cercare di incentivare le strutture a farlo. Anche la pandemia da Covid-19 dovrebbe aver dimostrato che è proprio l’uso di nuove tecniche di testing ad aver consentito la messa in commercio in tempi molto rapidi dei vaccini”.

Cosa serve per arrivarci? “C’è bisogno di un salto in avanti a livello ministeriale e di riorganizzazione sanitaria. Non di tagli ma di riorganizzazione e investimento in strutture o per la creazione di centri anche condivisi tra diversi ospedali della stessa provincia o regione che mettano in comune i laboratori che vadano a sviluppare questi modelli per i pazienti”.

Voi cosa fate? “Noi facciamo i “pezzettini” degli “human on a chip” e negli ultimi tempi, in particolare, stiamo focalizzando le nostre ricerche sul microbiota intestinale, che prima era considerato un agglomerato di organismi e batteri interno all’intestino, ma in realtà è un organo vero e proprio. Variazioni nel microbiota possono indurre o accelerare molte patologie, dalla schizofrenia all’autismo al “social impairment”. È ormai dimostrato come alterazioni nel microbiota promuovono lo sviluppo di osteoporosi o disturbi a livello cardiaco o metabolico”.

Ma non bisogna pensare che da domani siamo in grado di stampare organi interi: prima di poter stampare un organo da trapianto servirà capire bene come avviene lo sviluppo angiogenetico

Cosa abbiamo dimenticato? “Non bisogna pensare che da domani siamo in grado di stampare organi interi. Uno dei limiti principali è capire come costruire la rete vascolare: finché si tratta di un cubo da un centimetro per lato o di un parallelepipedo da un centimetro per uno per due, questa si riesce a controllare, ma se penso a un fegato è tutto più complesso. Va anche tenuto conto del fatto che dove si crea una vascolarizzazione, se non c’è un suo controllo possono attivarsi delle masse tumorali. Prima di poter stampare un organo da trapianto servirà capire bene come avviene lo sviluppo angiogenetico”.

A Novara si stampano… articolazioni su chip

Tra le numerose realtà impegnate nella stampa di organi su chip c’è il Centro di ricerca sulle malattie autoimmuni e Allergiche dell’Università del Piemonte Orientale (UPO), a Novara. Il polo Ipazia dell’Ateneo ha infatti ottenuto un maxi-finanziamento europeo da sei milioni di euro dal fondo Horizon 2020 per lo studio Flamin-Go – che sta per infiammazione che se ne va -, che coinvolge quattordici partner internazionali tra cui l’Istituto di nanotecnologia del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr Nanotec) di Lecce, la Queen Mary University di Londra, il Max Planck Institute e aziende high-tech come Regenhu, la società svizzera specializzata nelle tecnologie di bioprinting che ha installato ad Novara la stampante 3D di tessuti di ultima generazione.

Lia Rimondini“Uno degli ambiti più semplici è la stampa della cartilagine – spiega Lia Rimondini, direttrice del dipartimento di Scienze della Salute dell’Upo -. Da questo punto di vista siamo già piuttosto preparati perché stiamo concludendo un progetto europeo fiananziato da una call H2020, denominato Restore, in cui abbiamo sviluppato tecnologie per la stampa di proto-tessuti ingegnerizzati che contengono delle cellule pluripotenti (iPS) che poi sono differenziate i differenziarle in cartilagine. Questi proto-tessuti contengono oltre alle cellule e alla matrice extra-cellulare anche farmaci immunomodulatori, antinfiammatori e  antibiotici rilasciati da sistemi nanometrici. La prospettiva è di poter usare cellule del paziente espanse e un cocktail di farmaci nell’ottica di una medicina di precisione centrata sulle specifiche esigenze del paziente”.

Il progetto europeo Flamin-Go ha permesso al centro l’acquisizione di due grosse strumentazioni: la stampante 3D e un secondo strumento da 1 milione di euro che serve per tipizzare l’infiltrato infiammatorio nei pazienti su biopsie. Servirà in parallelo per analizzare il tessuto cresciuto sui chip.

Annalisa Chiocchetti“Ma la nuova stampante di recentissima generazione ci permetterà di aprire anche altre strade, compresa la stampa 3D dei farmaci in collaborazione con la nostra Farmacia ospedaliera che è molto all’avanguardia – commenta Annalisa Chiocchetti, direttrice del Laboratorio di Immunomica -. Chi ha prodotto la stampante ha già dimostrato che è fattibile stampare compresse costituite da numerosi farmaci che vengono rilasciati in momenti diversi dalla giornata. Questa è una prospettiva molto interessante per pazienti neurologici o con disfagia, ma anche in un’ottica di compliance per chi deve assumere schemi terapeutici complessi e che potrà quindi assumere un’unica che compressa che rilascia al momento giusto il farmaco giusto. È un’opzione percorribile e sarebbe un grosso salto in avanti per i pazienti”.

Come siete arrivati a coordinare questo progetto internazionale? “Il Centro di ricerca sulle malattie autoimmuni e allergiche è stato inaugurato nel 2018 grazie a un finanziamento ricevuto dalla Regione Piemonte, ma era necessario reperire fondi di funzionamento – afferma Chiocchetti -. Per individuare la call più adatta ho trascorso un periodo come visiting professor nel Regno Unito in un grosso centro dedicato alla reumatologia e in particolare all’artrite reumatoide. Alla fine ne ho trovata una sul fronte degli organ-on-a-chip. Il punto è che tra i tanti farmaci anche di precisione che sono stati sviluppati per l’artrite reumatoide, non esiste ancora la possibilità di prevedere quali saranno efficaci su quel preciso paziente. Questo è fondamentale perché individuare precocemente il farmaco appropriato, significa fermare il progredire della malattia. Di solito però si dà un farmaco di prima linea, cui risponde il 30-40%; se il paziente non risponde, allora si cambia farmaco passando alla seconda o terza o anche quarta linea: spesso ci vogliono anche uno o due annui per individuare il farmaco giusto, ma trattandosi di una malattia evolutiva nel tempo necessario a individuare la molecola che funziona la malattia progredisce con danni permanenti”.

I ricercatori a questo punto si sono chiesti: perché non creare su chip un’articolazione (che è composta da tanti tessuti diversi) e replicarla in tanti chip su cui testare simultaneamente sin dalla diagnosi, i farmaci a disposizione e verificare a che farmaco quel paziente risponde meglio?

“Il tessuto bersaglio dell’artrite reumatoide è la sinovia, un piccolo tessuto facilmente biopsiabile – racconta l’esperta -. Ma non sembrava sufficiente costruire un organ-on-a-chip della sinovia: serve un vaso in cui scorrono le cellule del sangue del paziente e l’osso, per ricostruire in piccolo quello che c’è da studiare. Inoltre va  tenuto conto anche del fatto che tutti questi tessuti in vivo hanno una conformazione spaziale e quindi il chip avrà anche una struttura, detta attuatore, il cui obiettivo è dare pressione in alcuni punti, simulando il movimento. Un ulteriore aspetto è che non si tratta solo di capire come coltivare le cellule ma anche in cosa coltivarle, cioè la matrice”.

Il progetto è concepito come un gioco di costruzioni, dove ogni tessuto è un mattoncino. Saranno creati separatamente un vaso, una sinovia e l’unità osso-cartilaginea e poi i pezzi saranno messi tutti insieme una volta che funzionano da soli

Come procederete quindi? “Il progetto è stato concepito come un gioco di costruzioni, dove ogni tessuto è un mattoncino. Faremo separatamente un vaso, una sinovia e l’unità osso-cartilaginea e poi metteremo i pezzi tutti insieme una volta che funzionano da soli. Adesso siamo all’inizio del secondo anno del progetto. I primi due saranno dedicati a formare i singoli mattoncini: un centro si occupa di produrre la parte vascolare, due, tra cui il nostro, quella sinoviale, e un altro l’osso e la cartilagine. Anche la parte ingegneristica di fabbricazione del chip è importante: i primi otto mesi sono passati a progettare come costruirlo. Inoltre, un punto chiave è individuare come fare per mantenere la coltura viva in una prospettiva in cui ci sono cellule con tempi diversi di sopravvivenza in vitro e con terreni diversi”.

Ma la parte più complessa sarà alla fine del secondo anno, con l’inizio dell’assemblaggio. Per ora ciascuno sta cercando di far stare bene le singole parti ma il momento delicato, che dovrebbe iniziare nel 2023, sarà unire i diversi mattoncini per farli funzionare.

Le potenzialità ci sono e sono ancora tutte da scoprire: “Il nostro centro è concepito con una struttura su due piani, con torri laterali: una è dedicata alla clinica, in particolare in ambito di reumatologia e allergologia, e idealmente da quando il nostro progetto darà i suoi frutti si potranno fare le biopsie – dichiara Rimondini -. Il secondo piano è dedicato alla ricerca con diverse strumentazioni all’avanguardia dedicate alla medicina di precisione e al primo c’è un incubatore d’impresa”.

“La mia ambizione – dice Chiocchetti – è far partire una startup che produca anche per l’ospedale e per le aziende farmaceutiche articolazioni su chip”.