Innovations in Artificial Organs

Gli organi artificiali sono spesso descritti come il Santo Graal della bioingegneria – un’importante area di ricerca che si trova all’intersezione di medicina, scienze della vita e ingegneria. L’importanza e il bisogno urgente di organi artificiali sono stati compresi da tempo: testi medici che risalgono a diversi secoli fa contengono idee che descrivono la loro progettazione, per quanto fantasiose e poco pratiche possano essere state. Il primo vero passo avanti nella progettazione di organi artificiali è avvenuto nel 1982, con Jarvik-7, il primo cuore artificiale completamente funzionante ad essere impiantato con successo in un essere umano. Il ricercatore medico Robert Jarvik e l’inventore Willem Kolff sono accreditati con la progettazione di Jarvik-7. Kolff ha diverse altre innovazioni al suo attivo, tra cui il primo rene artificiale (macchina per la dialisi) e la macchina cuore-polmone, ed è noto per essere un avido sostenitore delle procedure di trasfusione del sangue – tutte cose che riflettono il suo entusiasmo e la sua convinzione di aiutare il corpo umano a continuare a funzionare anche dopo che i suoi organi si fermano. Per queste innovazioni e ideologie, è considerato il padre degli organi artificiali.

Oggi, nonostante i notevoli progressi nei trapianti, l’importanza degli organi artificiali non è diminuita. Semmai, la lunga lista d’attesa e la durata dell’attesa richiedono alternative efficaci e immediate al trapianto di organi. La United Network for Organ Sharing, un’organizzazione no profit con sede negli Stati Uniti che amministra la rete di donazione di organi, stima che più di 120.000 americani – più di 100.000 dei quali hanno bisogno di un rene – sono in lista d’attesa per organi salvavita. Il potenziale destinatario medio di un rene ha un’attesa di 3,6 anni, e almeno 20 persone in attesa di un organo muoiono ogni giorno.

Gli organi artificiali potrebbero risolvere la carenza di trapianti

Il pensiero di un cuore pronto all’uso che potrebbe sostituire un cuore fallito è una proposta allettante, e che alcune aziende hanno decifrato. Tra queste spicca la BiVACOR di Houston, Texas. Il dispositivo di cuore artificiale totale (TAH) di BiVACOR, dal nome eponimo, è un’opzione disponibile per i pazienti con insufficienza cardiaca allo stadio finale che non si qualificano per i trapianti. Un’altra importante azienda, SynCardia Systems (Tucson, Ariz.), ha sviluppato un dispositivo TAH temporaneo – un sistema impiantabile che può assumere le funzioni del cuore – per i pazienti che soffrono di insufficienza cardiaca biventricolare allo stadio finale. Il dispositivo è destinato ad essere utilizzato solo come un ponte per il trapianto di cuore del donatore, ed è l’unico approvato dalla Food and Drug Administration degli Stati Uniti e l’Unione europea e canadese schede di regolamentazione.

Con l’avvento della stampa 3-D e ingegneria dei tessuti, si può pensare oltre pompe elettromeccaniche che possono servire come cuore per visualizzare un artificiale in, letteralmente, carne e sangue. La corsa è in corso per sviluppare un organo artificiale funzionale, basato sui tessuti, che imiti gli organi nelle funzioni fisiche e fisiologiche, come la secrezione di ormoni, la vascolarizzazione, la crescita e la modellazione quando l’individuo cresce.

Stephen Badylak, professore e vice direttore del McGowan Institute for Regenerative Medicine all’Università di Pittsburgh, sta lavorando su un fegato funzionale che sia adatto al trapianto. L’approccio di Badylak consiste nel raccogliere le cellule staminali di un paziente e coltivarle in impalcature 3-D appositamente progettate. La speranza è che queste cellule si sviluppino in un organo funzionale quando vengono fornite di nutrienti appropriati per la crescita. Poiché le cellule vengono prelevate dai pazienti stessi, le sfide del rigetto dell’organo e della risposta immunitaria vengono aggirate.

Organi artificiali per la ricerca medica

Anche se il ritardo nella produzione di un organo completamente funzionale e di dimensioni corrispondenti deluderà il mercato dei trapianti d’organo, è comunque una notizia che vale la pena di applaudire. Infatti, l’intera industria farmaceutica aspetta con il fiato sospeso tessuti che assomiglino ai veri tessuti umani. Tali analoghi sono di grande importanza per i test dei farmaci.

Organovo, con sede a San Diego, è stata all’avanguardia nella commercializzazione della biostampa 3-D di tessuti per la ricerca medica. L’azienda ha stampato con successo patch di tessuti di fegato, polmone, cuore e reni per l’uso da parte di partner di ricerca. La linea ExVive dell’azienda di tessuti di fegato e reni umani è utilizzata in studi di tossicologia e altri test preclinici di farmaci. Questa applicazione di organi artificiali ha un enorme potenziale per accelerare il processo di sviluppo dei farmaci, abbassare i costi e ridurre la necessità di test animali e clinici. Infatti, L’Oreal, l’azienda globale di cosmetici, si rifornisce di tessuti di pelle umana stampati in 3-D da Organovo con l’obiettivo di ridurre i tanto vituperati test sugli animali. L’Oreal possiede già un brevetto su Episkin, un prodotto di ingegneria tissutale della pelle che è stato sviluppato incubando cellule cutanee donate da pazienti chirurgici. La partnership con Organovo permetterebbe a L’Oreal di stamparle più facilmente, e secondo le esigenze.

La pelle elettronica può dare ai robot un tocco “umano”

La pelle è il più grande organo del corpo umano, e molto complesso. Ricreare la pelle implica impartire le sensazioni di tocco, pressione e temperatura al materiale artificiale. Una pelle artificiale di questo tipo sarebbe senza dubbio di grande valore per le vittime di ustioni e per i pazienti sottoposti a interventi chirurgici estesi. Tuttavia, un’applicazione che ora è il carburante per i film di fantascienza potrebbe presto essere una realtà: fornire ai robot input sensoriali.

SmartCore, un progetto finanziato dal Consiglio Europeo della Ricerca ed eseguito da ricercatori dell’Università di Tecnologia di Graz in Austria mira a creare un materiale che risponda a vari stimoli. Per raggiungere questo obiettivo, il team ha sviluppato un nuovo materiale che è rivestito con una serie di nanosensori la cui sensibilità supera di gran lunga quella della pelle umana. Anche se ancora nelle fasi iniziali, il team sta progettando un nucleo “intelligente” – un polimero che si espanderebbe quando esposto all’umidità e alla temperatura ed è racchiuso in un guscio piezoelettrico che produce una corrente elettrica quando viene applicata una pressione. Questi nuclei ricevono gli stimoli e li trasmettono al sistema robotico. Il team mira a mostrare il prototipo entro il 2019, dopo di che verrebbero esplorate applicazioni specifiche.

L’utero artificiale solleva la speranza per i bambini prematuri

Nell’aprile 2017, i ricercatori del Center for Fetal Diagnosis and Treatment del Children’s Hospital of Philadelphia hanno annunciato e pubblicato che avevano sviluppato il primo utero artificiale al mondo. Soprannominato BioBag, questi “uteri” assomigliano a sacchetti Ziploc con tubi di liquido amniotico, ossigeno, nutrienti e sangue che si intrecciano dentro e fuori. All’interno dei sacchetti, però, i ricercatori sono riusciti a nutrire agnelli fetali.

Nell’agosto 2017, un utero simile è stato ideato da un gruppo non correlato: ricercatori della Women and Infants Research Foundation in Australia, l’Università dell’Australia occidentale e il Tohoku University Hospital in Giappone. Chiamata giustamente terapia dell’ambiente uterino ex-vivo (EVE), ha sollevato le aspettative di un ambiente simile all’utero praticabile e ripetibile.

La strada da percorrere

Frost & Sullivan ritiene che la strada da percorrere per gli organi artificiali sia lastricata da ricercatori entusiasti, agenzie di finanziamento e un ecosistema collaborativo. Tuttavia, ci sono anche blocchi stradali sotto forma di preoccupazioni etiche, requisiti normativi, costo del dispositivo e preoccupazioni per la sicurezza a causa della mancanza di dati clinici a lungo termine. La risposta sarebbe deviazioni che possono comunque portare a destinazioni lucrative. L’uso di tessuti di pelle artificiale per la ricerca medica e cosmetica è un esempio. Allo stesso modo, un utero artificiale per la gestazione di un embrione umano sarebbe un compito alto, che porterebbe alla luce numerose questioni etiche, morali e legali; tuttavia, un percorso accettabile per il momento sarebbe quello di utilizzare l’utero per salvare la vita e migliorare la salute dei milioni di bambini pre-termine che nascono ogni anno.