La capacità del corpo umano di rigenerare tessuti e organi è estremamente inefficiente e la perdita di tessuti e organi umani può avvenire facilmente a causa di cose come difetti congeniti, malattie e traumi improvvisi. Quando il tessuto muore (chiamato necrosi), non può essere riportato in vita: se non viene rimosso o riparato, può colpire altre aree del corpo, come i tessuti, gli organi, le ossa e la pelle circostanti.
È qui che l'ingegneria dei tessuti è utile. Utilizzando biomateriali (materia che interagisce con i sistemi biologici del corpo come cellule e molecole attive), i tessuti funzionali possono essere creati per aiutare a ripristinare, riparare o sostituire i tessuti e gli organi umani danneggiati.
Immagini Cavan / Getty ImagesUna breve storia
L'ingegneria dei tessuti è un campo della medicina relativamente nuovo, con la ricerca che inizia solo negli anni '80. Un bioingegnere e scienziato americano di nome Yuan-Cheng Fung ha presentato una proposta alla National Science Foundation (NSF) per un centro di ricerca da dedicare ai tessuti viventi. Fung ha preso il concetto di tessuto umano e lo ha ampliato per applicarlo a qualsiasi organismo vivente tra cellule e organi.
Sulla base di questa proposta, la NSF ha etichettato il termine "ingegneria dei tessuti" nel tentativo di formare un nuovo campo di ricerca scientifica. Ciò portò alla formazione della Tissue Engineering Society (TES), che in seguito divenne la Tissue Engineering and Regenerative Medicine International Society (TERMIS).
TERMIS promuove sia l'istruzione che la ricerca nel campo dell'ingegneria dei tessuti e della medicina rigenerativa. La medicina rigenerativa si riferisce a un campo più ampio che si concentra sia sull'ingegneria dei tessuti che sulla capacità del corpo umano di auto-curarsi per ripristinare la normale funzione di tessuti, organi e cellule umane.
Scopo dell'ingegneria dei tessuti
L'ingegneria dei tessuti ha alcune funzioni principali in medicina e ricerca: aiutare con la riparazione di tessuti o organi inclusa la riparazione ossea (tessuto calcificato), tessuto cartilagineo, tessuto cardiaco, tessuto pancreas e tessuto vascolare. Il campo conduce anche ricerche sul comportamento delle cellule staminali. Le cellule staminali possono svilupparsi in molti diversi tipi di cellule e possono aiutare a riparare aree del corpo.
Il campo dell'ingegneria dei tessuti consente ai ricercatori di creare modelli per studiare varie malattie, come il cancro e le malattie cardiache.
La natura 3D dell'ingegneria dei tessuti consente di studiare l'architettura del tumore in un ambiente più accurato. L'ingegneria dei tessuti fornisce anche un ambiente per testare potenziali nuovi farmaci su queste malattie.
Come funziona
Il processo di ingegneria dei tessuti è complicato. Implica la formazione di un tessuto funzionale 3D per aiutare a riparare, sostituire e rigenerare un tessuto o un organo del corpo. Per fare ciò, cellule e biomolecole vengono combinate con scaffold.
Le impalcature sono strutture artificiali o naturali che imitano organi reali (come il rene o il fegato). Il tessuto cresce su questi scaffold per imitare il processo biologico o la struttura che deve essere sostituita. Quando questi vengono costruiti insieme, viene progettato un nuovo tessuto per replicare lo stato del vecchio tessuto quando non era danneggiato o malato.
Impalcature, cellule e biomolecole
Le impalcature, che sono normalmente create dalle cellule del corpo, possono essere costruite da fonti come proteine nel corpo, plastica artificiale o da un'impalcatura esistente, come quella di un organo donatore. Nel caso di un organo donatore, l'impalcatura sarebbe combinata con le cellule del paziente per creare organi o tessuti personalizzabili che potrebbero effettivamente essere rifiutati dal sistema immunitario del paziente.
Indipendentemente da come si forma, è questa struttura di scaffold che invia messaggi alle cellule che aiutano a supportare e ottimizzare le funzioni cellulari nel corpo.
Scegliere le cellule giuste è una parte importante dell'ingegneria dei tessuti. Esistono due tipi principali di cellule staminali.
Due principali tipi di cellule staminali
- Cellule staminali embrionali: provengono da embrioni, di solito in uova che sono state fecondate in vitro (al di fuori del corpo).
- Cellule staminali adulte: si trovano all'interno del corpo tra le cellule normali: possono moltiplicarsi per divisione cellulare per ricostituire cellule e tessuti morenti.
Attualmente sono in corso molte ricerche anche sulle cellule staminali pluripotenti (cellule staminali adulte indotte a comportarsi come cellule staminali embrionali). In teoria, c'è una fornitura illimitata di cellule staminali pluripotenti e il loro utilizzo non implica il problema della distruzione di embrioni umani (che causa anche un problema etico). In effetti, i ricercatori vincitori del premio Nobel hanno pubblicato le loro scoperte sulle cellule staminali pluripotenti e sui loro usi.
Nel complesso, le biomolecole includono quattro classi principali (sebbene ci siano anche classi secondarie): carboidrati, lipidi, proteine e acidi nucleici. Queste biomolecole aiutano a creare la struttura e la funzione delle cellule. I carboidrati aiutano organi come il cervello e la funzione cardiaca, nonché i sistemi a funzionare come il sistema digestivo e immunitario.
Le proteine forniscono anticorpi contro i germi, nonché supporto strutturale e movimento del corpo. Gli acidi nucleici contengono DNA e RNA, fornendo informazioni genetiche alle cellule.
Uso medico
L'ingegneria dei tessuti non è ampiamente utilizzata per la cura o il trattamento del paziente. Ci sono stati alcuni casi che hanno utilizzato l'ingegneria dei tessuti negli innesti cutanei, nella riparazione della cartilagine, nelle piccole arterie e nelle vesciche nei pazienti. Tuttavia, organi più grandi di ingegneria tessutale come il cuore, i polmoni e il fegato non sono stati ancora utilizzati nei pazienti (sebbene siano stati creati in laboratorio).
A parte il fattore di rischio dell'utilizzo dell'ingegneria dei tessuti nei pazienti, le procedure sono estremamente costose. Sebbene l'ingegneria dei tessuti sia utile quando si tratta di ricerca medica, in particolare quando si testano nuove formulazioni di farmaci.
L'utilizzo di tessuti vivi e funzionanti in un ambiente esterno al corpo aiuta i ricercatori a fare progressi nella medicina personalizzata.
La medicina personalizzata aiuta a determinare se alcuni farmaci funzionano meglio per determinati pazienti in base al loro corredo genetico, oltre a ridurre i costi di sviluppo e sperimentazione sugli animali.
Esempi di ingegneria dei tessuti
Un recente esempio di ingegneria dei tessuti condotto dall'Istituto nazionale di imaging biomedico e bioingegneria include l'ingegneria di un tessuto epatico umano che viene poi impiantato in un topo. Poiché il topo usa il proprio fegato, il tessuto epatico umano metabolizza i farmaci, imitando il modo in cui gli esseri umani risponderebbero a determinati farmaci all'interno del topo. Questo aiuta i ricercatori a vedere quali possibili interazioni farmacologiche potrebbero esserci con un determinato farmaco.
Nel tentativo di progettare tessuti con una rete incorporata, i ricercatori stanno testando una stampante che creerebbe una rete di tipo vascolare da una soluzione zuccherina. La soluzione si formerebbe e si indurirà nel tessuto ingegnerizzato fino a quando il sangue non verrà aggiunto al processo, viaggiando attraverso i canali artificiali.
Infine, la rigenerazione dei reni di un paziente utilizzando le cellule del paziente è un altro progetto dell'Istituto. I ricercatori hanno utilizzato cellule di organi donatori per combinarle con biomolecole e uno scaffold di collagene (dall'organo donatore) per far crescere nuovo tessuto renale.
Questo tessuto d'organo è stato quindi testato per il funzionamento (come l'assorbimento di sostanze nutritive e la produzione di urina) sia all'esterno che all'interno dei ratti. I progressi in quest'area dell'ingegneria dei tessuti (che può funzionare in modo simile anche per organi come cuore, fegato e polmoni) potrebbero aiutare con la carenza di donatori e ridurre eventuali malattie associate all'immunosoppressione nei pazienti sottoposti a trapianto di organi.
Come si relaziona al cancro
La crescita del tumore metastatico è uno dei motivi per cui il cancro è una delle principali cause di morte. Prima dell'ingegneria dei tessuti, gli ambienti tumorali potevano essere creati solo al di fuori del corpo in forma 2D. Ora, gli ambienti 3D, così come lo sviluppo e l'utilizzo di alcuni biomateriali (come il collagene), consentono ai ricercatori di guardare l'ambiente di un tumore fino al microambiente di alcune cellule per vedere cosa succede alla malattia quando determinate composizioni chimiche nelle cellule vengono alterate .
In questo modo, l'ingegneria dei tessuti aiuta i ricercatori a comprendere sia la progressione del cancro che gli effetti di determinati approcci terapeutici sui pazienti con lo stesso tipo di cancro.
Sebbene siano stati compiuti progressi nello studio del cancro attraverso l'ingegneria dei tessuti, la crescita del tumore può spesso causare la formazione di nuovi vasi sanguigni. Ciò significa che anche con i progressi compiuti dall'ingegneria dei tessuti con la ricerca sul cancro, potrebbero esserci limitazioni che possono essere eliminate solo impiantando il tessuto ingegnerizzato in un organismo vivo.
Con il cancro, tuttavia, l'ingegneria dei tessuti può aiutare a stabilire come si stanno formando questi tumori, come dovrebbero apparire le normali interazioni cellulari e come le cellule tumorali crescono e metastatizzano. Questo aiuta i ricercatori a testare farmaci che influenzeranno solo le cellule tumorali, al contrario dell'intero organo o corpo.
