La Nasa e il bioprinting per gli astronauti

Indianapolis VA Medical Center e NASA per esplorare la bioprinting 3D per l’assistenza sanitaria

L’esposizione alle radiazioni spaziali, ai campi gravitazionali, alle atmosfere contaminate, fanno tutti parte dell’ambiente ostile che gli astronauti incontrano oltre l’orbita terrestre. Mentre passano da un campo gravitazionale all’altro, i fluidi nel loro corpo possono spostarsi verso l’alto, il che potrebbe portare a una pressione sugli occhi che causa problemi di vista, tra le altre malattie piuttosto spaventose a cui la National Aeronautics and Space Administration (NASA) ha lavorato risolvono per decenni mentre si preparano a inviare umani su missioni triennali su Marte.

La NASA vuole assicurarsi che la sostituzione dei tessuti oltre la capacità di riparazione dell’organismo possa essere effettuata nello spazio. Tuttavia, un tale schema significherebbe anche che le agenzie spaziali dovranno pianificare molto prima della partenza su come sfruttare tecnologie innovative, come la stampa 3D, per aiutare gli astronauti nel loro viaggio, contribuendo direttamente ai rispettivi sforzi di sviluppo . Questo è ciò che stanno facendo diverse agenzie governative degli Stati Uniti, tra cui la Veterans Administration e la NASA. Più in particolare, gli scienziati del centro medico Richard L. Roudebush Veterans Affairs (VA) di Indianapolis e gli investigatori della NASA stanno ora esplorando in modo univoco nuovi approcci alla bioprinting 3D .I due team stanno collaborando alla conversione delle immagini del fondo oculare umano e animale in rendering virtuali delle reti vascolari retiniche per la bioprinting. L’esplorazione di questo campo non servirà solo l’interesse della NASA per lo spazio, ma anche le preoccupazioni della VA qui sulla Terra, poiché spesso è necessario sostituire i tessuti per curare i veterani di combattimento, incidenti o indotti da malattie.

Uno dei limiti più gravi per il successo dell’ingegneria dei tessuti, e in particolare degli approcci di bioprinting per la generazione di tessuti artificiali, è la difficoltà di perfezionare i costrutti con fluidi e nutrienti ossigenati. Per affrontare questo problema, Patricia Parsons-Wingerter, scienziata senior presso la Space Biosciences Research Branch della NASA, e il suo team in tutta la NASA hanno unito le forze con Nicanor I. Moldovan, direttore fondatore del laboratorio 3D Bioprinting Core (3DBPC) presso il Richard L. Roudebush VA Medical Center.

Tali sforzi combinati potrebbero portare a un successo senza precedenti per la bioprinting delle reti vascolari. In questo caso, il team della NASA utilizzerà la sua innovativa applicazione software VESel Generation Analysis (VESGEN) 2D per la progettazione di modelli vascolari anatomicamente realistici per la bioprinting, mentre il team con sede a Indianapolis fornirà il proprio know-how sui modelli vascolari di bioprinting.

Infatti, Parsons-Wingerter e i suoi colleghi hanno sviluppato VESGEN 2D , un programma di analisi delle immagini che esegue la quantificazione ramificata delle reti vascolari, al fine di aiutare nella diagnosi precoce dei cambiamenti nei modelli vascolari dell’occhio, che possono indicare retinopatia indotta da microgravità, anche la principale malattia accecante degli adulti in età lavorativa. Tuttavia, le malattie vascolari dipendenti comprendono il cancro, il diabete, la malattia dei vasi coronarici e le principali sfide per la salute degli astronauti nella microgravità spaziale e negli ambienti di radiazione, in particolare per le missioni di lunga durata. In questo senso, VESGEN 2D mappa e quantifica il rimodellamento vascolare per un’ampia varietà di applicazioni di tessuto biomedico vascolarizzato quasi 2D

La preoccupazione di Parsons-Wingerter per i problemi alla vista legati ai viaggi nello spazio è stata storicamente fondata. Secondo uno studio sponsorizzato dalla NASA diversi anni fa, i voli di andatura che durano sei mesi o più possono causare cambiamenti negli occhi e nella visione degli astronauti. A quel tempo, questa scoperta ebbe un grande impatto sui piani per un volo con equipaggio su Marte, rendendola una priorità assoluta per il team di ricerca della NASA Space Medicine. Durante lo studio, sette astronauti esaminati presentavano anomalie della struttura e della vista dell’occhio, più comunemente l’appiattimento della parte posteriore del bulbo oculare, cambiamenti nella retina (la zona sensibile alla luce nella parte posteriore dell’occhio) e il nervo ottico . Sapere ora che la visione può essere gravemente compromessa nello spazio ora richiede molta attenzione da parte dei ricercatori, soprattutto perché gli astronauti, come i piloti delle compagnie aeree, devono avere una visione 20/20 per svolgere la maggior parte del loro lavoro in orbita.

Secondo Parsons-Wingerter , infatti , VESGEN è attualmente utilizzato per aiutare a comprendere e migliorare i disturbi della vista negli astronauti e negli adulti terrestri a cui è stata diagnosticata la retinopatia diabetica. E non sorprende che VESGEN 2D verrà utilizzato per aiutare nella progettazione di modelli vascolari anatomicamente realistici per la bioprinting poiché questo programma di analisi delle immagini offre letture approfondite (o biomarcatori) di segnalazione molecolare dominante mirata dallo sviluppo di farmaci e terapeutici.

Immagini composte e illustrazioni di copertine di riviste di collaborazioni di modelli vascolari con altri scienziati per la ricerca VESGEN (Credit: NASA)

Nel frattempo, il laboratorio 3DBPC della Moldavia (noto anche a molti come “Core”) serve principalmente le esigenze degli investigatori VA , aiutando con la progettazione e l’implementazione del flusso di lavoro dalla concezione del progetto attraverso il finanziamento e l’esecuzione. Più specificamente, il Core fornisce assistenza nella preparazione di idrogel, caratterizzazione di bioink, coltivazione di cellule, miscelazione di campioni, stampa di modelli 3D, bioprinting di costrutti contenenti cellule, incubazione, perfusione e caratterizzazione (mediante microscopia a fluorescenza, micro e macrofotografia), fino a analisi dei dati e preparazione per la pubblicazione. Le attività attuali nel Core includono la generazione di modelli 3D di ossa, cartilagine, retina, neuronale e altri.

Finanziato e gestito dall’Indiana Institute of Medical Research (IIMR) e supportando la missione di ricerca complessiva del Veterans Affairs Medical Center di Indianapolis, il Core presenta la bioprinter 3DDiscovery , che è stata acquistata dalla società svizzera regenHU attraverso un programma condiviso di valutazione delle apparecchiature VA ( ShEEP) concessione.

Un altro esempio dell’impegno delle agenzie governative a lavorare insieme per sviluppare soluzioni sanitarie per il futuro, il Richard L. Roudebush VA Medical Center ha anche recentemente aderito alla centenaria Vascolare Tissue Challenge della NASA , un progetto che riunisce scienziati di tutto il mondo per produrre test praticabili sui tessuti spessi che può essere utilizzato per far avanzare la ricerca sulla fisiologia umana. La NASA ha iniziato la Vascular Tissue Challenge a maggio 2019, in collaborazione con la Fondazione Methuselah e grazie al supporto della New Organ Alliance (NOA), un’organizzazione no profit che mira a catalizzare il campo dell’ingegneria dei tessuti. Anche il Moldovan del Roudebush VA Medical Center partecipa a questa impresa in qualità di presidente del NOA In Vitro Sottocomitato per i modelli di tessuto.

Poiché uno dei principali progetti del Core è la bioprinting di modelli vascolari, questo nuovo sforzo congiunto con Parsons-Wingerter è considerato da loro come un passo naturale per portare avanti la ricerca per entrambi i team. In effetti, lo stesso approccio con VESGEN 2D può essere utilizzato per la rappresentazione realistica e l’adattamento al formato stampabile delle reti vascolari di altri organi, come il mesentere di ratto o il colon di topo, da incorporare come composizioni cellulari specifiche della regione in realtà costrutti di tessuto bioprinted. I team affermano che questi costrutti saranno utili sia come modelli in vitro per studi meccanicistici e scoperta di farmaci sia per l’eventuale sostituzione di tessuti o organi danneggiati. Dopotutto, questo è esattamente ciò a cui la NASA e il VA stanno puntando, sia qui che nello spazio.

Considerando che l’agenzia spaziale americana ha recentemente affermato il suo obiettivo di inviare di nuovo astronauti su Marte, i ricercatori, come Parsons-Wingerter e Moldovan, sono cruciali per il successo della futura missione. Ciò è particolarmente rilevante poiché tali missioni su Marte durerebbero da sette mesi a due o più anni. Mentre continuano a risolvere molti dei problemi relativi alla salute associati a spedizioni spaziali di lunga durata , scopriremo sicuramente di più sul loro lavoro combinando talenti creativi per sviluppare più innovazione di bioprinting.

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