Avete sentito parlare dell'orecchio fatto in laboratorio?

Per oltre 30 anni, i ricercatori hanno cercato di produrre un orecchio in laboratorio a partire dal materiale cellulare vivo di un paziente. Nel 2016, la professoressa Marcy Zenobi-Wong dell'ETH e il suo team hanno fatto scalpore con un orecchio creato con una stampante 3D. Ora, però, i ricercatori del Politecnico di Zurigo, dell'Istituto Friedrich Miescher di Basilea e dell'Ospedale cantonale di Lucerna hanno compiuto un altro importante passo avanti. Utilizzando cellule di cartilagine dell'orecchio umano, il team ha prodotto in laboratorio una cartilagine elastica, ottenendo proprietà meccaniche simili a quelle del tessuto naturale. La cartilagine ingegnerizzata ha una stabilità simile a quella di un orecchio vero e, in un modello animale, ha mantenuto la sua forma ed elasticità dopo sei settimane.

Questa ricerca è importante, anche perché gli incendi e gli incidenti causano spesso la perdita delle orecchie, in tutto o in parte. Inoltre, alcuni bambini soffrono di malformazioni congenite dell'orecchio esterno. Questa patologia, nota come microtia, colpisce circa quattro bambini su 10.000. Ad oggi, la ricostruzione con la cartilagine costale del paziente rimane l'approccio standard. Tuttavia, questa procedura è dolorosa e può causare cicatrici e deformazioni nella regione toracica, e l'orecchio ricostruito è spesso più rigido di un orecchio naturale. Questo pone i ricercatori di fronte a una sfida.

"Non stiamo impiantando un tessuto morbido nella speranza che rimanga stabile nel corpo. Vogliamo invece ottenere questa stabilità in laboratorio", spiega Philipp Fisch, autore principale dello studio pubblicato su Advanced Function Materials. Fisch è un ricercatore senior del Tissue Engineering and Biofabrication Group guidato dalla professoressa Marcy Zenobi-Wong dell'ETH.

Tuttavia, l'elastina rimane una sfida centrale. Questa proteina conferisce all'orecchio la sua malleabilità. I ricercatori non solo devono produrla, ma devono anche collegarla correttamente e garantire che si stabilizzi a lungo termine. I ricercatori devono ancora determinare una precisa "impronta" biologica per raggiungere questo obiettivo.

Da un campione di tessuto all'orecchio stampato

I ricercatori hanno estratto le cellule da piccoli resti di cartilagine rimossi durante le operazioni per correggere la forma delle orecchie dei pazienti. Questo è servito come materiale di partenza. Inizialmente è possibile isolare centomila cellule da un piccolo pezzo di tessuto di circa tre millimetri di diametro. Tuttavia, un orecchio stampato richiede diverse centinaia di milioni di cellule. I ricercatori hanno quindi permesso alle cellule di crescere ulteriormente in laboratorio, mettendole in una speciale soluzione nutritiva. Hanno inoltre sviluppato uno speciale ambiente di coltura per rifornire l'interno dell'orecchio stampato di sostanze nutritive e ossigeno e garantire che il tessuto maturasse in modo uniforme.

Il team di ricerca ha testato diversi fattori di crescita per promuovere la divisione cellulare. Allo stesso tempo, volevano evitare che le cellule della cartilagine dell'orecchio si comportassero come fibroblasti. Queste cellule del tessuto connettivo producono principalmente collagene di tipo I e possono formare tessuto cicatriziale. Il risultato sarebbe stato una fibrocartilagine, un tessuto più morbido con collagene di tipo I, invece del più rigido collagene di tipo II e dell'elastina tipicamente presenti nella cartilagine auricolare.

I ricercatori hanno quindi incorporato le cellule moltiplicate in un bioink, un materiale simile a un gel che funge da supporto. Hanno usato una stampante 3D per formare le strutture dell'orecchio da questo inchiostro. Subito dopo la stampa, il tessuto era ancora molto morbido. "Se il materiale di partenza è fondamentale, lo è anche la capacità del tessuto di svilupparsi", spiega Fisch. Le orecchie stampate sono state quindi poste in un incubatore a maturare per diverse settimane e hanno ricevuto un apporto continuo di sostanze nutritive. L'obiettivo era promuovere la formazione di collagene di tipo II, elastina e glicosaminoglicani, molecole simili a zuccheri che legano l'acqua e migliorano la resistenza della cartilagine.

Stabile dimensionalmente nei modelli animali

Fisch ritiene che una combinazione di quattro fattori sia stata decisiva per il successo del team. "Abbiamo ottimizzato la proliferazione cellulare, regolato le proprietà del materiale, aumentato la densità cellulare e controllato in modo più efficace l'ambiente di maturazione", spiega. Dopo circa nove settimane di pre-maturazione in laboratorio, i ricercatori hanno impiantato i costrutti auricolari sotto la pelle dei ratti. Hanno poi monitorato il tessuto per diverse settimane. I ricercatori hanno scoperto che le orecchie artificiali rimanevano stabili dopo sei settimane, con proprietà meccaniche simili a quelle della cartilagine naturale. "Nonostante questo grande successo, l'elastina rimane una sfida per noi, poiché non siamo riusciti a farla maturare completamente", spiega Fisch. "Abbiamo osservato dei cambiamenti nel tessuto. Questo dimostra chiaramente che dobbiamo stabilizzarla ulteriormente".

Solo pochi gruppi di ricerca in tutto il mondo stanno lavorando per produrre cartilagine elastica per le orecchie. Inoltre, il processo di ricerca richiede molto tempo: un singolo esperimento dura circa tre o quattro mesi. I ricercatori conducono esperimenti complessi che combinano diverse condizioni per decodificare l'impronta biologica, che rimane elusiva. La formazione controllata di una rete stabile di elastina è decisiva affinché l'orecchio artificiale mantenga la sua forma a lungo termine.

La paziente ricerca dell'impronta della rete di elastina

"Nel nostro gruppo lavoriamo a questo problema da oltre dieci anni", afferma Fisch. Per gli estranei, potrebbe sembrare un periodo lungo. "Quando si tratta di biofabbricazione dei tessuti, o ingegneria tissutale, come viene anche chiamata, è raro vedere progressi rapidi".

La cartilagine dell'orecchio ingegnerizzata è oggetto di grande interesse. "Lo studio era stato appena pubblicato quando ho ricevuto un messaggio dai genitori di un bambino affetto da microtia", ricorda Fisch. I genitori volevano sapere a che punto fosse la ricerca e quando si sarebbero potuti effettuare gli studi clinici.

Da parte sua, Fisch rimane ottimista. "Se tutto va bene, speriamo di trovare l'impronta della rete di elastina entro i prossimi cinque anni", afferma. I passi successivi saranno studi clinici, procedure di test strutturate e processi di approvazione formale. La cartilagine auricolare artificiale deve superare questi ostacoli normativi prima di poter passare dal laboratorio alla pratica clinica.

"Il nostro studio attuale fornisce una buona guida allo stato attuale della ricerca", riassume Fisch. "Mostra quanto siamo già vicini a ricreare l'orecchio umano e cosa ancora manca".