Heart-on-a-chip

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L’attuale mondo della ricerca biomedica è decisamente focalizzato su due argomenti principali: 3D printing e organ-on-chip (detti anche sistemi microfisiologici).

Ed è così che un gruppo visionario dell’università di Harvard ha deciso di unire questi due concetti sviluppando un 3D-printed heart-on-a-chip con sensori integrati, con lo scopo finale di ricapitolare in vitro la struttura e la funzione del tessuto nativo ed evitando così, almeno in parte, l’uso di test in vivo (su animali).
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Lind J.U. et al, Nat Materials; 2017.

La ricerca, pubblicata recentemente sull’eminente rivista scientifica di Nature Materials, descrive come il chip venga costruito tramite una procedura totalmente automatizzata di digital manufacturing (produzione digitale), che ne rende la realizzazione veloce e customizzabile (alle specifiche proprietà/caratteristiche di una patologia o di un paziente – il cosiddetto patient-specific).
Stando a quanto dichiarato dagli autori della ricerca, “questo nuovo approccio programmabile per la costruzione di organ-on-chip non solo consente di modificare e personalizzare facilmente la progettazione del sistema, ma anche di semplificare drasticamente l’acquisizione di dati, aprendo nuovi percorsi per l’ingegneria dei tessuti in vitro, la ricerca tossicologica e farmacologica per lo screening di farmaci”.
Tuttavia, il processo di fabbricazione e di raccolta dati per organ-on-chip è costoso e laborioso. Attualmente, questi dispositivi sono costruiti in camere bianche utilizzando un processo di litografia complessa e multi-step, e la raccolta di dati richiede microscopia o fotocamere high-speed ad altissima risoluzione.
Gli autori hanno così deciso di implementare un approccio che gli permettesse di affrontare contemporaneamente queste due sfide attraverso la produzione digitale, sviluppando nuovi inchiostri stampabili per la stampa 3D multi-materiale, riuscendo ad automatizzare il processo di fabbricazione ed aumentando la complessità dei dispositivi.
I sei inchiostri diversi sviluppati integrano sensori di tensione morbidi e flessibili  all’interno della microarchitettura del tessuto. In una singola procedura continua, il team ha stampato questi materiali in un dispositivo 3D microfisiologico cardiaco – un cuore su un chip – con sensori integrati.
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Lind J.U. et al, Nat Materials; 2017.

Il chip contiene diversi pozzetti, ciascuno con tessuti separati e sensori integrati, consentendo ai ricercatori di studiare contemporaneamente molti tessuti cardiaci. Per dimostrare l’efficacia del dispositivo, la squadra ha effettuato studi farmacologici e studi a lungo termine di progressivi cambiamenti nella forza contrattile dei tessuti cardiaci progettati. La potenzialità della ricerca risiede nel fatto che gli studi possano essere eseguiti in real-time ed in maniera non distruttiva; vale a dire che i sensori integrati consentono ai ricercatori di raccogliere continuamente i dati mentre i tessuti maturano, adattano e migliorano la loro contrattilità, senza la necessità di interrompere l’esperimento.
La ”traduzione” di questi dispositivi microfisiologici in piattaforme veramente valide per studiare la salute umana e le malattie richiede un impegno su un doppio fronte: quello di affrontare l’acquisizione di dati e quello relativo alla produzione dei dispositivi, e sicuramente questo studio offre nuove soluzioni potenziali per entrambe le sfide.
Alla prossima, Giulia.

Bibliografia:
  • https://www.engadget.com/2016/10/24/3d-printed-heart-on-a-chip-is-an-alternative-to-animal-testing/
  • http://news.harvard.edu/gazette/story/2016/10/the-first-fully-3-d-printed-heart-on-a-chip/
  • https://www.seas.harvard.edu/news/2016/10/3d-printed-heart-on-chip-with-integrated-sensors
  • http://www.nature.com/nmat/journal/v16/n3/full/nmat4782.html
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