Perchè siamo più vicini alla rigenerazione del tessuto osseo rispetto ad altri tessuti?

La rigenerazione dei tessuti attraverso la tecnologia di produzione additiva (Bioprinting) pone importanti sfide che sono spesso difficili da superare.

È noto che rigenerare alcuni tessuti biologici è più facile e più accessibile di altri tessuti che presentano molteplici difficoltà tecniche e non solo.

Molte ricerche nel campo della bioprinting sono ancora bloccate in uno stato pre-clinico in cui l’applicazione diretta sul paziente sembra essere molto lontana.

Ma se dovessi immaginare un risultato concreto a breve termine completamente traslazionale riguardo alla rigenerazione dei tessuti, mi vengono sicuramente in mente due tipi di tessuti:

1) Il tessuto osseo;

2) Il tessuto cartilagineo.

Le ragioni sono molteplici.

Parliamo di osso, (per ora).

L’OSSO MACROSCOPICAMENTE

Macroscopicamente questo tessuto ha una consistenza decisamente più importante dei tessuti molli e questa caratteristica si presta molto bene alla riproduzione con le moderne stampanti biologiche 3D. È certamente più facile stampare un materiale duro, molto stabile fisicamente piuttosto che materiali morbidi o viscosi gelatinosi che rendono difficile controllare molte proprietà di stampa.

L’osso è una struttura rigida, molto poco sensibile alle deformazioni macroscopiche. Ciò rende l’osso un tessuto che si presta molto bene alla ricostruzione 3D di parti ossee specifiche del paziente. L’osso è un tessuto chiaramente visibile alle immagini radiologiche (CT) e quindi l’osso del paziente può essere virtualizzato in 3D. Questa ricostruzione può quindi essere facilmente stampata con una Bioprinter per creare una copia perfetta (e funzionale) dell’osso del paziente. Gli altri tessuti (tessuti molli) non hanno questa caratteristica facilmente ricostruibile.

L’impianto chirurgico di un osso stampato in 3D (bioprinted) è più semplice dell’impianto di tessuti più complessi (fegato, reni, pancreas, ecc …). La struttura macroscopica del tessuto osseo rende più semplice la sostituzione dell’osso del paziente con un nuovo osso 3D (autologo).

L’OSSO MICROSCOPICAMENTE

The trabecular bone microstructure is compatible with the production possibilities offered by some 3D printers currently on the market. In any case, the alternation of empty-full created by bone trabeculae can certainly be reproduced by providing cells with a scaffold with this particular internal geometry.

  • Identically, a scaffold can be produced that faithfully reproduces a more compact external layer (where the cells will deposit more cohesively between one and the other) and a more rarefied internal core (where the cells will create the bone trabeculation ). All this allows to direct the cells to generate functional bone “simply” starting from the geometry of the scaffold without great difficulties.
  • The ability to print bone tissue and its good printability allows it to reproduce some microstructures present in the external compact bone’s layer such as the Haversian canals. Recall that the Haversian canals are vascular canals that run along the outer layer of compact bone and which allow blood circulation in the bone itself. It is in fact possible, through a special 3D modeling of the part to be printed and through specific print settings (as well as through special 3D bioprinters), to reconstruct these canals volumetrically possibly even with cell types predisposing to neo-angiogenesis. In soft tissues it is more difficult to 3D print hollow structures inside the organ parenchyma as these are more likely to collapse during the printing phases.

The cell types present in bone tissue are: – Stem Cells Osteoblasts Osteocytes Osteoclasts The stem cells differentiate into osteoblasts that are responsible for new bone formation. Osteoblasts also synthesize and secrete collagen and calcium salts. Let’s say first that both collagen and tricalcium phosphate are two of the most important (and used) bioprinting materials used in the world. This benefits the bone regeneration process with the use of Bioprinting because the two main sub-layers produced by the same bone cells can be easily printed and therefore “ready-made” organic substrates can be supplied to these cells. During his life the osteoblast remains “trapped” within an area calcified by materials that he himself has produced. At this point it differentiates in osteocyte.

The osteocyte is the most mature type of bone cell. The most complex part of bone regeneration relates to bone manipulation (resorption) by osteoclasts. Osteoclasts are bone permanence cells that derive from monocytes and macrophages rather than osteogenic cells.

It is obvious that, in order to maintain a balance between osteoblasts that produce bone and osteocolasts that remodel bone, it is necessary to develop 3D printing of both these cell types.

As we have seen, unlike other types of tissues, bone is the closest tissue to be concretely regenerated and implanted in human.

The realistic prediction is that in 5/10 years we will have a personalized 3D print of our autologous bone, that is, generated by our stem cells.

We can think about how important this can be in the case of particularly serious trauma or in the case of bone resections for tumor pathologies.

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