La scienza trae ispirazione da ogni luogo per una svolta. Un piatto appiccicoso con i batteri ci ha dato il primo antibiotico: la penicillina. La combinazione di lievito con un elettrodo di platino sotto tensione ci ha dato un potente farmaco chemioterapico: il cisplatino. Il dottor Andrew Pelling dell'Università di Ottawa trae le sue idee radicali dal classico di fantascienza The Little Horror Store. In particolare, gli piace il principale antagonista del film: la pianta cannibale Aubrey 2.
È qualcosa che assomiglia a una pianta con tratti di mammifero, ha detto Pelling alla conferenza Exponential Medicine a San Diego questa settimana. "Così abbiamo iniziato a chiederci: può essere coltivato in laboratorio?"
L'obiettivo finale di Pelling, ovviamente, non è portare in vita un mostro di fantascienza. Invece, vuole capire se le piante convenzionali possono fornire la struttura necessaria per sostituire il tessuto umano.
Ascesa della meccanobiologia
Far crescere un orecchio umano dalle mele può sembrare un processo strano, ma il punto di partenza di Pelling è che le parti interne fibrose sono sorprendentemente simili ai microambienti in cui il tessuto umano bioingegnerizzato viene comunemente coltivato nei laboratori.
Per effettuare una sostituzione dell'orecchio, ad esempio, gli scienziati tagliano o stampano regolarmente in 3D strutture di supporto cave da costosi materiali biocompatibili. Quindi seminano cellule staminali umane in questa struttura e le forniscono meticolosamente un cocktail di fattori di crescita e sostanze nutritive, incoraggiando le cellule a crescere. Alla fine, dopo settimane e mesi di incubazione, le cellule proliferano e si differenziano in cellule della pelle nelle foreste. Il risultato è un orecchio bioingegnerizzato.
Il problema è che la barriera all'ingresso è molto alta: cellule staminali, fattori di crescita e materiali per le foreste sono tutti costosi da acquistare e difficili da produrre.
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Ma questi componenti sono davvero necessari?
Attraverso una serie di esperimenti, Pelling e altri hanno scoperto che queste forze meccaniche non sono solo un sottoprodotto della biologia; piuttosto, regolano fondamentalmente i meccanismi molecolari sottostanti della cellula.
Studi precedenti hanno dimostrato che ogni fase della crescita dell'embrione - "un processo fondamentale in biologia" - può essere regolata e controllata da informazioni meccaniche. In altre parole, le forze fisiche possono indurre le cellule a dividersi e migrare attraverso i tessuti, poiché il nostro codice genetico guida lo sviluppo dell'intero organismo.
In laboratorio, lo stiramento e la stimolazione meccanica delle cellule sembra cambiare radicalmente il loro comportamento. In un test, il team di Pelling ha spruzzato cellule cancerose su un foglio di cellule della pelle cresciute sul fondo di una capsula di Petri. Le cellule cancerose si uniscono in piccole palline, formando una chiara barriera tra il microtumore e le cellule della pelle.
Ma quando il team di scienziati ha posizionato l'intero sistema cellulare in un dispositivo che lo allungava leggermente, imitando la respirazione e il movimento del corpo, le cellule tumorali sono diventate aggressive, invadendo lo strato di cellule della pelle.
Cosa ancora più interessante: non è richiesto alcun movimento attivo affinché le forze meccaniche trasformino il comportamento delle cellule. La forma del microambiente è sufficiente per guidare le loro azioni.
Ad esempio, quando Pelling ha posizionato due tipi di cellule in una struttura fisica con scanalature, le cellule si sono staccate da sole entro poche ore e un tipo è cresciuto nelle scanalature e l'altro su proiezioni più alte. Semplicemente percependo la forma di questa superficie ondulata, hanno "imparato" a separarsi e ad adattarsi nello spazio.
Quindi: utilizzando una sola forma, le cellule possono essere stimolate a formare modelli tridimensionali complessi.
E qui la mela ci aiuterà.
Una mela … o un orecchio?
Al microscopio, il microambiente di una mela è sulla stessa scala di lunghezza delle superfici artificiali per la produzione di tessuti sostitutivi. Questa scoperta ha portato gli scienziati a chiedersi: è davvero possibile utilizzare questa struttura della superficie vegetale per far crescere organi umani?
Per verificarlo, hanno preso una mela e lavato tutte le sue cellule vegetali, il DNA e altre biomolecole. Sono rimaste solo impalcature fibrose - rimangono ancora bloccate tra i denti. Quando il team ha inserito cellule umane e animali all'interno, le cellule hanno iniziato a crescere e diffondersi.
Incoraggiati dal risultato, gli scienziati hanno scolpito una mela a forma di orecchio umano e hanno ripetuto il processo sopra. Nel giro di poche settimane, le cellule proliferarono e trasformarono un pezzo di mela in un orecchio umano carnoso.
Certo, una forma non sarà sufficiente. Il tessuto sostitutivo deve anche attecchire all'interno del corpo.
Il team ha poi impiantato foreste di mele proprio sotto la pelle del topo. In sole otto settimane, cellule di topo sane non solo hanno colonizzato la matrice, ma il corpo del roditore ha anche prodotto nuovi vasi sanguigni che hanno aiutato le foreste a vivere e prosperare.
Il tessuto bioingegnerizzato ha tre proprietà importanti: è sicuro, è biocompatibile ed è prodotto da una fonte etica rinnovabile.
Passare dalla teoria alla pratica
Pelling è particolarmente colpita dai suoi risultati per la sua semplicità: non richiede cellule staminali o fattori di crescita esotici per funzionare. L'approccio elegante utilizza semplicemente la struttura fisica della pianta.
Il team sta attualmente espandendo il proprio lavoro a tre aree principali dell'ingegneria dei tessuti: cartilagine dei tessuti molli, tessuto osseo, midollo spinale e nervi. L'importanza è far combaciare la microstruttura specifica della pianta con il tessuto.
E perché limitarci al corpo che la natura ci ha donato? Se le forme degli scaffold sono l'unico fattore determinante dell'ingegneria dei tessuti o degli organi, perché non creare le tue forme?
Pelling si è armato di questa idea e ha creato una società di design che avrebbe impalcato tre diversi tipi di orecchie: normali orecchie umane, orecchie a punta come quelle di Spock e orecchie ondulate, che potrebbero, in teoria, sopprimere o migliorare varie frequenze.
Ilya Khel
