Dai cervelli biosintetici per prevedere l'epilessia ai minuscoli impianti stampati in 3D per la ricrescita di muscoli e ossa, questa è una ricerca al limite di ciò che è possibile dal punto di vista medico.

Ma è il team dietro queste idee – ingegneri, esperti di robotica e biologi che lavorano con i migliori chirurghi e medici – che fa la differenza tra sognare e realizzare.

Il professor Rob Kapsa è un ricercatore capo dell'RMIT presso l'Aikenhead Center for Medical Discovery, dove dirige un gruppo di ricerca che utilizza il laboratorio di biofabbricazione appositamente costruito dell'ACMD.

Con sede presso il St Vincent's Hospital di Melbourne, ACMD riunisce ricercatori e medici per trovare soluzioni ad alcune delle nostre più grandi sfide biomediche.

In riconoscimento del ruolo vitale del centro, il governo del Victoria ha dato il via libera per una struttura da 206 milioni di dollari appositamente costruita per sostenerne la continua crescita.

Per prima cosa, cos'è la biofabbricazione e come potrebbe trasformare le cure mediche?

Si tratta fondamentalmente di creare cose che si integrino completamente nel nostro corpo, per guarire, riparare e ripristinare la funzione.

A differenza degli impianti tradizionali, le strutture e i dispositivi biofabbricati possono effettivamente avvicinarsi all'imitazione della fenomenale complessità dei tessuti umani viventi.

La biofabbricazione combina ingegneria dei materiali, scienze biologiche, produzione additiva, nanotecnologie e tecnologie sanitarie biomediche.

Apre enormi opportunità per creare strutture in grado di ripristinare, sostituire e rigenerare qualsiasi cosa, da ossa e muscoli a cervello, articolazioni e tessuti connettivi.

Ad esempio, i ricercatori stanno lavorando su nuove tecnologie biofabbricate per riparare il deterioramento osseo negli anziani, sviluppare un pancreas artificiale personalizzato e autoregolante per le persone con diabete e costruire muscoli sostitutivi per i pazienti traumatizzati.

Parlaci dei "cervelli" biosintetici che stai creando.

Quando cerchi di capire come funziona il cervello e come risolverlo quando va storto, osservare le cellule su diapositive bidimensionali non ti porta molto lontano. Quindi costruiamo in tre dimensioni, utilizzando la biostampa 3D, afferma il professor Kapsa.

Il "cervello" che creiamo è minuscolo, circa 3 x 3 mm, ma lì c'è abbastanza cervello funzionante da poter essere studiato e analizzato (e inoltre, la corteccia del cervello umano ha uno spessore di soli 3 mm).<

I nostri piccoli blocchi cerebrali sono costituiti da cellule della pelle, che riprogrammiamo in cellule staminali in grado di produrre neuroni. Il blocco del "cervello" è sospeso in una matrice di collagene 3D e posizionato su una serie di elettrodi.

Utilizzando la stimolazione elettrica o aggiungendo sostanze neurochimiche, possiamo attivare i neuroni. La serie di elettrodi registra tale attività, che imita l'attivazione del sistema nervoso, per darci un quadro approfondito di ciò che sta accadendo.

Essenzialmente si tratta di costrutti cerebrali sintetici personalizzati, ideali per gli scienziati che lavorano per comprendere e trattare le condizioni neurologiche.

In che modo questi "cervelli" ci aiutano nella ricerca sull'epilessia?

L'epilessia colpisce 1 persona su 100, ma sappiamo che circa la metà di questi sviluppa la condizione più avanti nella vita, dopo aver subito lesioni al cervello quando erano più giovani.

Pensiamo che ciò possa essere dovuto al fatto che alcune persone hanno una predisposizione genetica, ma al momento non possiamo prevedere chi potrebbe essere a rischio di sviluppare epilessia a causa di un trauma cranico.

In questa ricerca, stiamo collaborando con i neurologi del Murdoch Children's Research Institute che hanno scoperto una mutazione genetica che causa l'epilessia, e con i neurologi del St Vincent's Hospital di Melbourne.<

Prendiamo cellule della pelle da persone che hanno quella mutazione genetica, rimuoviamo la mutazione e coltiviamo un "cervello" biosintetico da quelle cellule geneticamente modificate. Per fare un confronto, creiamo anche il cervello dalle loro cellule "positive all'epilessia", non modificate.

Testiamo quindi il "cervello" che produciamo da queste cellule inducendo un certo livello di danno e vedendo se e quando mostrano un'attività di tipo epilettico.

Ciò a cui miriamo in definitiva è un semplice test genetico che possa determinare se è probabile che si sviluppi l'epilessia a causa di un trauma cranico minore, ad esempio giocando a football AFL o altri sport.

In quale altro modo potrebbero essere utilizzati questi "cervelli" in futuro?

I nostri "cervelli" biosintetici verranno utilizzati anche per la modellazione personalizzata di disturbi neurologici.

È qui che un "cervello" cresciuto dalle cellule di un paziente potrebbe consentire a un medico di comprendere meglio la sua condizione, ottimizzare il trattamento e, in definitiva, anche la sua prognosi.<

Per RMIT, questo lavoro apre nuove entusiasmanti strade per la progettazione, lo sviluppo, la fabbricazione e la traduzione di dispositivi e sistemi ibridi biomeccatronici.

Nell'ambito della ricerca per sviluppare trattamenti per la distrofia muscolare, il vostro team ha sperimentato una tecnica di "cavallo di Troia" che combina ingegneria muscolare e modifica genetica. Come funziona?

L'idea di base è prendere cellule da persone con la mutazione che causa la distrofia muscolare, eliminare la mutazione e poi reinserire quelle cellule nel muscolo per farlo funzionare di nuovo.

Ci sono stati casi clinici studi di terapie cellulari rigenerative, in particolare la terapia di trapianto di mioblasti, ma purtroppo questi sono falliti poiché le cellule impiantate non prosperano e non si moltiplicano.

La differenza con il nostro approccio è che invece di impiantare direttamente le cellule, le proteggiamo in una gelatina speciale a base di alghe marine. Questo è il "cavallo di Troia": un pezzo di gelatina di alghe con cellule muscolari al suo interno che viene prontamente accettato dal corpo e quindi consente alle cellule sane di "invadere" il muscolo malato.

La nostra tecnica si traduce in un'incredibile diffusione di cellule muscolari vitali, con studi preclinici sui topi che mostrano milioni di nuclei derivanti dalle 10.000 cellule che inizialmente impiantiamo.

Che ruolo giocano la stampa 3D e la biostampa nel lavoro del tuo team?

In ACMD abbiamo la fortuna di avere accesso a biofabbricazione all'avanguardia e tecnologie di produzione avanzate, comprese biostampanti specializzate progettate per la stampa 3D di cellule viventi e bioreattori per colture cellulari 3D. Lavorare con queste tecnologie fa un'enorme differenza per le nostre collaborazioni.

Ad esempio, nel nostro lavoro utilizziamo un processo di stampa 3D chiamato "elettroscrittura a fusione" per incoraggiare le reti vascolari a crescere nei tessuti ingegnerizzati. Questo sistema può essere utilizzato anche nelle nostre strutture di modellazione dei tessuti, in modo che assomiglino più da vicino al tessuto vascolarizzato.

Ma a volte il nostro lavoro non riguarda la tecnologia più recente: si tratta di inventare nuove interpretazioni del vecchio.

I ricercatori del nostro team hanno ribaltato la tradizionale stampa 3D per creare strutture biomediche incredibilmente complesse nel loro lavoro sulla ricrescita di ossa e tessuti. Il loro approccio fuori dagli schemi utilizza stampanti 3D standard per costruire minuscoli impianti in grado di supportare la ricrescita cellulare.

Abbiamo recentemente pubblicato una ricetta per creare muscoli, che descrive in dettaglio gli ingredienti, le attrezzature e le tecniche necessarie per progettare il tessuto muscolare scheletrico funzionale.

È un riassunto del nostro lavoro svolto nel corso di molti anni nel perfezionamento dei nostri metodi di bioinchiostro e biostampa per produrre costrutti muscolari scheletrici stampati in 3D. Ci auguriamo che questo lavoro possa alla fine consentire l'ingegneria muscolare per le persone che hanno subito malattie muscolari e traumi.

Voi avete collaborazioni di lunga data con medici e chirurghi del St Vincent's Hospital di Melbourne. In che modo la creazione di ACMD ha accelerato la ricerca del tuo team?

Nel corso dei decenni, man mano che il nostro team ha sviluppato il nostro approccio all'ingegneria muscolare e nervosa, abbiamo sempre lavorato a stretto contatto con medici e chirurghi per sviluppare soluzioni reali ai problemi di salute del vecchio mondo che non sono adeguatamente serviti dalle tecnologie esistenti.

Il nostro lavoro non riguarda solo idee interessanti o possibilità teoriche: riguarda la risoluzione dei problemi con cui i medici e, forse, cosa più importante, i pazienti, si confrontano quotidianamente.

Stiamo lavorando direttamente con le persone che un giorno utilizzeranno la nostra ricerca in nella loro pratica clinica e nelle sale chirurgiche. Condividono le loro sfide e ciò di cui hanno bisogno per aiutare i loro pazienti.

E questo è in definitiva ciò che vogliamo che faccia la nostra ricerca: uscire allo scoperto e aiutare le persone.

Cervelli biosintetici, muscoli ingegnerizzati, cavalli di Troia... alcune di queste idee sembrano quasi fantascienza. Quindi, quando potrebbero effettivamente diventare realtà clinica?

È vero che quello che stiamo facendo è alle frontiere della scienza. Ma le tecnologie di produzione avanzate stanno già facendo la differenza nella vita dei pazienti, come il primo impianto spinale stampato in 3D prodotto localmente in Australia.

Il lavoro dell'RMIT su tale iniziativa ha portato a nuove direzioni nella progettazione di impianti di prossima generazione per pazienti affetti da cancro alle ossa, un obiettivo del progetto all'interno dell'ACMD.

Alcuni dei nostri progetti clinicamente più avanzati potrebbero essere a 5-10 anni di distanza dalla traduzione clinica, ma siamo ancora agli inizi della rivoluzione della biostampa 3D.<

La cosa bella è che il nostro approccio clinico-scientifico collaborativo ci consente di superare idee poco pratiche che non potrebbero mai funzionare nella vita reale e concentrarci sulla ricerca che ha il maggior potenziale di impatto.

Il professor Rob Kapsa dirige il gruppo di ricerca sulla biofabbricazione e l'ingegneria dei tessuti (BiTE) presso RMIT.

La rete BiTE, che mira a riunire accademici e dottorandi che lavorano nel campo più ampio della bioingegneria verso nuove aree orientate al BiTE, è supportata dalle piattaforme di capacità abilitanti di RMIT per materiali avanzati, produzione e fabbricazione e salute e salute biomedica Innovazione.

ACMD è il primo centro di ricerca di ingegneria biomedica ospedaliero in Australia, con partner tra cui il St Vincent's Hospital Melbourne, la RMIT University, l'Università di Melbourne, l'Australian Catholic University, la Swinburne University of Technology, l'Università di Wollongong Australia, il Bionics Institute, St Vincent's Institute e il Centre for Eye Research Australia.

 Estratto da RMIT News Story:  Gosia Kaszubska

Studia il RMIT Laurea in Scienze Biomediche presso la School of Health and Biomedical Sciences per ottenere un apprezzamento più approfondito di questa ricerca innovativa.

In questo livello flessibile, svilupperai un'ampia comprensione dell'anatomia, della fisiologia e della patologia umana dalle cellule a livello di sistema.

La scienza biomedica costituisce la base della nostra comprensione del funzionamento del corpo umano e animale e delle risposte del corpo a varie malattie, esercizio fisico, dieta, disturbi interni e influenze ambientali.

Si tratta di un'ampia area della scienza che riguarda la comprensione del corpo umano e il modo in cui interagisce con le malattie: come si manifesta, cosa accade e come possiamo controllarle, curarle e prevenirle. Le scienze biomediche implicano la comprensione dell'anatomia e della fisiologia umana, nonché della biochimica.

Oltre a una conoscenza fondamentale delle scienze biomediche, avrai l'opportunità di selezionare corsi opzionali specialistici nel tuo ultimo anno. Acquisirai inoltre una comprensione del processo di ricerca e un'esperienza con le moderne tecnologie utilizzate nella ricerca biomedica.

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