La stampa 3D per creare modelli vivi di cellule tumorali di Daeha Joung: Modelli metastatici in vitro bioprintati 3D tramite ricostruzione di microambienti tumorali

IL PROFESSORE DELLA VIRGINIA COMMONWEALTH UNIVERSITY UTILIZZA LA STAMPA 3D PER PROMUOVERE LA RICERCA SUL CANCRO

Un assistente professore della Virginia Commonwealth University (VCU) College of Humanities and Sciences ha utilizzato la stampa 3D per creare modelli vivi di cellule tumorali, che potrebbero consentire ai ricercatori del cancro di comprendere meglio la progressione della malattia.

Daeha Joung, Ph.D, e assistente professore alla VCU ha inventato il nuovo metodo per costruire costrutti tumorali. La nuova tecnica consente il posizionamento e il controllo precisi delle cellule viventi, per imitare in modo più efficace le fasi chiave della diffusione del cancro. Questo approccio potrebbe consentire ai ricercatori del Massey Cancer Center di VCU di massimizzare la crescita delle cellule tumorali per lo studio e valutare l’efficacia delle immunotossine antitumorali.

L’assistente professore Joung ha affermato che la tecnica potrebbe essere utilizzata per sperimentare farmaci antitumorali. Foto via VCU.
L’assistente professore Joung ha affermato che la nuova tecnica potrebbe essere utilizzata per sperimentare farmaci antitumorali. Foto via VCU.
Evoluzione dalla stampa 2D nella ricerca sul cancro

I ricercatori dell’European Molecular Biology Laboratory in Germania hanno scoperto nel loro studio a dicembre 2018 che le strutture 2D hanno difficoltà a replicare accuratamente le caratteristiche dei microambienti tumorali nativi. È stato scoperto che le colture cellulari 3D stabiliscono interazioni cellula-cellula che potrebbero imitare meglio la specificità dei tessuti reali, farlo a una velocità maggiore e mostrare comportamenti più complessi.

Tuttavia, secondo Joung, la natura metastatica del cancro rimane una grande sfida prognostica e terapeutica per i modelli attuali, poiché i movimenti delle cellule tumorali sono regolati da vari segnali chimici. È quindi necessario un modello più preciso che incorpori questi elementi dei microambienti tumorali e consenta lo studio delle interazioni multilivello che si verificano in parti distanti del corpo. “Una serie di strategie sono state sviluppate per superare questi ostacoli, ma non hanno avuto del tutto successo”, spiega Joung. “Posso usare la fisica, la nanotecnologia e l’ingegneria per superare quegli ostacoli e fornire una visione unica che potrebbe aprire la porta a nuove opzioni terapeutiche per il cancro”.

L’approccio di Joung affronta queste limitazioni utilizzando la bioprinting 3D e una tecnica di piegatura automatica ispirata agli origami per creare complesse strutture 3D multi-materiale, multi-scala e multi-funzionale. Questi consentono l’integrazione di numerose combinazioni di cellule viventi e matrici di supporto con un preciso controllo spaziale, con conseguente ingegneria dei tessuti con promettenti applicazioni biomediche.

Le capsule reattive agli stimoli stampate in 3D hanno permesso a Joung di controllare le cellule all’interno di queste strutture. Contenenti un nucleo acquoso e un carico utile di fattori molecolari funzionali e nanorodi d’oro plasmonici (AuNR), i baccelli microscopici consentono il rilascio innescato di segnali chimici nelle matrici 3D. Una volta attivato utilizzando la radiazione laser, Joung era in grado di manipolare i comportamenti cellulari a livello locale. Quando questo è stato combinato con la stampa cellulare 3D, ha permesso la creazione di complessi costrutti tumorali che sono stati controllati utilizzando segnali chimici multiplexati.

Per dimostrare il controllo spaziale con le capsule, Joung ha stampato una serie di nuclei contenenti volumi variabili che potrebbero essere innescati con precisione distribuendo un laser UV. L’uso della stampa 3D ha permesso a Joung di testare cinque gruppi di campioni di migrazione in parallelo in condizioni identiche. Questo approccio gli ha anche permesso di aggiungere materiali dove necessario e di personalizzare le cellule prodotte, per mostrare comportamenti diversi.

Come risultato della tecnica, gli scienziati di Massey saranno in grado di fornire campioni di tessuto tumorale a Joung, e quindi prescrivere disegni specifici o strutture tumorali che devono essere fabbricati. Utilizzando meccanismi robotici e tecnologia di stampa 3D personalizzata, Joung regolerà quindi la quantità e la configurazione specifica dei tipi di celle replicate e stampate.

Ciò, a sua volta, potrebbe consentire ai futuri ricercatori di selezionare nuovi farmaci antitumorali e testare strategie specifiche per il paziente per la diagnosi e la terapia. “Il cancro è un tumore dal punto di vista ingegneristico, quindi il mio laboratorio può produrre molti tipi diversi di imitazioni dei tessuti tumorali”, ha detto Joung. “Se qualcuno è interessato al cancro del polmone, possiamo stampare le cellule tumorali del polmone. Se qualcuno è interessato alle cellule del cancro al seno, possiamo anche stampare quelle “, ha aggiunto.

L’ambizione di Joung è quella di progettare una piattaforma completa di sistemi 3D avanzati per l’applicazione in modelli di rigenerazione neurale del cancro, aprendo nuove opportunità per testare opzioni terapeutiche per il trattamento della malattia.

Scienziati e ricercatori di altre istituzioni accademiche hanno anche utilizzato la stampa 3D per creare modelli di cellule 3D dal vivo, con l’obiettivo di una migliore comprensione e trattamento dei tumori cancerosi.

Nell’aprile 2020 ricercatori dagli Stati Uniti e dalla Germania hanno presentato un nuovo modo di studiare il glioblastoma (GBM), un tipo aggressivo di tumore al cervello. Hanno usato una raccolta di cellule cerebrali umane e biomateriali con canali vascolari perfusi, per consentire la cultura a lungo termine e la consegna dei farmaci. La tecnologia di imaging 3D è stata sommariamente utilizzata per la valutazione non invasiva dei costrutti dei tessuti.

Una studentessa di master dell’Università di Waikato , in Nuova Zelanda, ha annunciato nell’agosto 2018 che aveva pianificato di crescere e testare i tumori del cancro usando cellule reali, seguendo il design dei suoi modelli di tumore di plastica stampati in 3D. La base di questi modelli bioprinted era una serie di emisferi palmati palmari che assomigliavano a tumori al seno.

I ricercatori della Katholieke Universiteit Leuven in Belgio e dell’Indian Institute of Technology Hyderabad in India , hanno pubblicato studi a giugno 2017 su come utilizzare la stampa 3D per la ricerca sul cancro . Mentre entrambi gli articoli hanno evidenziato il potenziale dell’utilizzo della stampa 3D per creare microambienti, i ricercatori indiani hanno sollevato la possibilità di poter posizionare con precisione le cellule e riprodurre microambiente in vivo .

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro articolo intitolato ” Modelli metastatici in vitro bioprintati 3D tramite ricostruzione di microambienti tumorali ” che è stato pubblicato sulla rivista Advanced Materials ed è stato co-autore di Fanben Meng, Carolyn M. Meyer, Daeha Joung, Daniel A Vallera, Michael C. McAlpine e Angela Panoskaltsis ‐ Mortari.

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