Modelling and measuring effects of shear stress in extrusion bioprinting of endothelial- epithelial cell co-cultures

Immaginate un futuro in cui i medici possano stampare tessuti viventi per riparare organi danneggiati o sostituire la pelle perduta. Questa visione si basa su una tecnica chiamata bioprinting, in cui gli scienziati utilizzano macchine specializzate per espellere piccoli flussi di liquido che contengono cellule viventi mescolate a un gel di supporto. L'obiettivo è costruire strutture che imitino i complessi tessuti del corpo umano. Tuttavia, il processo di spremitura di questa miscela attraverso un ugello stretto crea una potente forza fisica nota come stress da taglio. Pensate a questa forza come alla pressione che si avverte spremendo un tubetto di dentifricio; più si schiaccia velocemente e con forza, più il contenuto viene strofinato e teso contro le pareti del tubo. Per le cellule viventi, che sono delicate e fragili, questo sfregamento può essere dannoso, potenzialmente uccidendole o danneggiando la loro capacità di funzionare una volta costruita la struttura. Comprendere esattamente quanta forza possano sopportare queste cellule è essenziale se gli scienziati sperano di creare tessuti viventi affidabili.

Un team di ricercatori si è dato il compito di misurare e prevedere come questa forza di spremitura influenzi due diversi tipi di cellule umane che lavorano insieme: cellule dei vasi sanguigni e cellule del tessuto mammario. Per farlo, non si sono limitati a stampare le cellule sperando nel meglio. Al contrario, hanno costruito un sistema completo per osservare, calcolare e testare cosa accade all'interno della stampante. Per prima cosa, hanno studiato la sostanza densa e gelatinosa utilizzata per sostenere le cellule, nota come gelatina metacrilile. Hanno testato questo materiale a due diverse concentrazioni e temperature per vedere come fluiva. Hanno scoperto che il modo in cui il materiale si comportava poteva essere descritto da modelli matematici che prevedono come si muovono i liquidi viscosi, permettendo loro di simulare il processo di stampa su un computer prima ancora di toccare una cellula reale.

Per garantire che le loro simulazioni al computer fossero accurate, i ricercatori hanno utilizzato una telecamera ad alta velocità per osservare minuscole particelle in movimento all'interno del gel fluido, confermando che le previsioni digitali corrispondessero al movimento del mondo reale. Con questo modello affidabile in mano, hanno rivolto l'attenzione alle cellule stesse. Hanno stampato una miscela dei due tipi di cellule nel gel a diverse pressioni e concentrazioni. I risultati hanno rivelato una relazione complessa tra le condizioni di stampa e la salute delle cellule. Quando le cellule sono state stampate in un gel più debole a una temperatura più bassa, le conseguenze immediate hanno mostrato un aumento della morte cellulare. Interessantemente, il gel più forte ha dimostrato livelli di stress da taglio più elevati rispetto al gel più debole, eppure non ha causato lo stesso picco immediato di cellule morenti.

Tuttavia, la storia non è finita nel momento in cui la stampa si è interrotta. I ricercatori hanno lasciato che le strutture stampate riposassero per un giorno per vedere come le cellule si sarebbero riprese. Hanno scoperto che anche bassi livelli di stress derivanti dal processo di stampa avevano un effetto ritardato. Man mano che la pressione utilizzata durante la stampa aumentava, il numero di cellule morenti cresceva dopo appena un giorno di coltura. Ciò suggerisce che le cellule siano sensibili alle forze fisiche del processo di stampa in modi che non sono immediatamente ovvi. Lo studio fornisce un metodo solido per prevedere questi effetti, dimostrando che combinando la modellazione al computer con un'osservazione attenta, gli scienziati possono comprendere meglio le forze nascoste che plasmano il futuro della stampa di tessuti viventi.