Un orecchio fresco di stampa

Alcuni bambini nascono con una malformazione congenita dell’orecchio chiamata microtia, che comporta una riduzione più o meno marcata del padiglione auricolare. Oggi, però, gli ingegneri biomedici possono aiutarli, grazie a un orecchio artificiale ottenuto da una stampa 3D.

La microtia colpisce un bambino su 8000, e si manifesta di solito su un solo lato della testa, con vari gradi di malformazione che vanno dalla semplice riduzione del padiglione auricolare alla sua assenza totale (anotia). A volte interessa anche il condotto uditivo, la membrana timpanica e la catena di ossicini dell’orecchio medio, con malformazioni e conseguenti deficit uditivi. Ma anche nel caso in cui l’orecchio medio e quello interno siano funzionanti, la mancanza di quello esterno può portare alla perdita dell’udito.

Una microtia unilaterale di III grado (Immagine: Wikimedia Commons)


Come è fatto un orecchio umano
Per capire meglio la natura del problema, può essere utile un veloce ripasso dell'anatomia dell'orecchio. Il padiglione auricolare raccoglie le onde sonore e fa parte dell’orecchio esterno insieme al canale uditivo e alla membrana del timpano, che chiude il canale uditivo e vibra in risposta alle onde di pressione dell’aria che entrano al suo interno. 

Al di là della membrana timpanica c’è l’orecchio medio, una cavità dell’osso temporale piena di aria che contiene tre ossicini: il martello, l’incudine e la staffa. Sono loro a trasmettere la vibrazione della membrana timpanica a un’altra membrana flessibile, localizzata in corrispondenza di un’apertura chiamata finestra ovale. Dietro la finestra ovale si sviluppa infine l’orecchio interno, formato da un labirinto osseo costituito da cavità che comprendono la coclea (la sede del senso dell’udito) e l’apparato vestibolare, che costituisce invece l’organo dell’equilibrio.

La fabbrica delle orecchie
Finora, gli unici modi per avere padiglioni auricolari di ricambio era ricorrere a protesi realizzare con materiali simili al polistirolo espanso, o a tecniche ricostruttive basate su autotrapianti di cartilagine costale. Questi interventi, tuttavia, oltre a produrre risultati estetici e funzionali poco convincenti, nel caso del trapianto autologo comportavano anche rischi e sofferenze per il bambino.

Disporre di un orecchio artificiale, non solo realistico, ma che conservi anche le complesse proprietà biomeccaniche della cartilagine elastica auricolare, sarebbe il sogno di ogni chirurgo ricostruttivo. Oltre che i bambini affetti da microtia, potrebbe aiutare anche persone adulte che hanno perso una parte o l’intero orecchio esterno in un incidente, o a causa del cancro. Un sogno che sembra molto vicino a diventare realtà, grazie ai progressi della medicina rigenerativa, nota anche come ingegneria tissutale, una branca della biomedicina specializzata nel ricreare tessuti artificiali da usare nei trapianti.  Un risultato incoraggiante, infatti, è stato raggiunto da ricercartori della Cornell University, che in un articolo pubblicato su PLOS ONE forniscono la loro personale ricetta per fabbricare nuovi padiglioni auricolari umani. 

Lawrence Bonassar, professore associato di ingegneria biomedica, e colleghi hanno collaborato per creare un orecchio artificiale con una stampante 3D e stampi iniettabili (Immagine: Lindsay Francia / Cornell University)


Ingredienti per fare un orecchio di ricambio:

– una stampante 3D: è una macchina che consente di scolpire oggetti tridimensionali in materiali di vario tipo, partendo da immagini elaborate al computer da un apposito software di modellazione 3D;  

collagene di coda di topo: il collagene è la proteina più abbondante del nostro corpo, come componente chiave di molti tessuti tra cui pelle, legamenti, cartilagini e vasi sanguigni. Le fibre di collagene formano strutture tridimensionali dette idrogel, che catturano e trattengono l’acqua, e sono molto utilizzate in medicina rigenerativa come supporto per la ricostruzione di tessuti e organi (spesso in combinazione con cellule staminali). Di recente, è stato messo a punto un collagene sintetico che conserva molte delle propreità naturali ed è privo di rischi immunologici, ma è ancora in fase di sperimentazione, perciò gli autori dello studio hanno usato, come di consueto, un collagene di origine animale;

– 250 milioni di condrociti prelevati da orecchie di mucca: a differenza di altre, le cellule della cartilagine non hanno bisogno di essere vascolarizzate per sopravvivere, perciò è molto più semplice coltivarle in laboratorio; trovano numerose applicazioni nella medicina rigenerativa, per la ricostruzione di cartilagini articolari, trachea, colonna vertebrale, nasi… e naturalmente orecchie;

– un topo nudo: è un topo da laboratorio caratterizzato dalla quasi totale mancanza di peli, frutto di una mutazione genetica (a carico del gene FOXN1) che provoca una disfunzione o l’assenza di timo; a causa della ridotta produzione di linfociti T, il suo sistema immunitario è fortemente inibito, cosa che lo rende adatto all’innesto di tessuti e tumori senza il pericolo di rigetto; gli autori dello studio l’hanno usato, infatti, per impiantargli sulla schiena un orecchio umano artificiale.   

 

Un topo nudo (Immagine: Wikimedia Commons)


Modi e tempi di preparazione
Creare un orecchio artificiale non sarà proprio una passeggiata (anche solo procurarsi gli ingredienti, che sembrano usciti dal pentolone di una strega, richiede un certo lavoro), ma in compenso è molto più rapido di quanto si potrebbe pensare. Per prima cosa occorre progettare uno stampo: una mezza giornata è sufficiente per digitalizzare le strutture tridimensionali di orecchie normali di bambini e convertirle, con un apposito software, in solidi virtuali tridimensionali. 

Il processo di digitalizzazione di un orecchio umano. È stato usato come modello quello di una bambina di 5 anni: l’immagine ottenuta con la scansione è stata elaborata per eliminare il rumore e scolpita digitalmente per ottenere la curvatura adeguata della parte anteriore dell’orecchio (Immagine: PLOS) 

Con una stampante 3D, si possono ora stampare (o meglio scolpire) i modelli virtuali in un blocco di acrilonitrile-butadiene-stirene (in sigla ABS), un polimero termoplastico usato anche per fabbricare i mattoncini della LEGO; il blocco scolpito viene quindi utilizzato per progettare uno stampo costituito da sette parti; l’intera fase richiede una giornata di lavoro. 

Le immagini digitali di un orecchio vengono incorporate in blocchi virtuali da cui si ottengono stampi costituiti da 7 parti (Immagine: PLOS)

Successivamente, bisogna iniettare nello stampo una gelatina densa ottenuta mescolando collagene di coda di ratto con  i condrociti di mucca, un processo che richiede non più di mezz’ora (il collagene funge da impalcatura su cui può crescere la cartilagine); dopo 15 minuti, non appena la gelatina di condrociti si è solidificata, si può rimuovere l’orecchio dallo stampo.  

A questo punto, l’orecchio viene lasciato per qualche giorno immerso in mezzi di coltura nutritivi prima dell’impianto sottocutaneo sulla schiena di un topo nudo, dove resterà a maturare da uno a tre mesi. Il topo dev’essere anestetizzato e sottoposto a un intervento chirurgico non proprio di routine, ma comunque ben collaudato, visto che i primi esperimenti di questo tipo risalgono a una decina di anni fa. Alla fine – e qui viene la parte più truculenta – il topo viene sacrificato per estrargli l’orecchio dal dorso, che può così essere esaminato. I ricercatori assicurano che la ricetta funziona, e che i condrociti sostituiscono in larga misura l’impalcatura di collagene, creando un orecchio davvero fedele all’originale.

L’analisi ex-vivo: tre mesi dopo l’impianto, i costrutti cellulari (B) hanno conservato la loro fedeltà anatomica originale, mentre gli impianti acellulari (A), utilizzati come controllo, si sono ridotti di dimensione (Immagine: PLOS)


Cosa bolle in pentola
«Questa è una doppia vittoria per la medicina e per la scienza di base, che dimostra cosa si può ottenere quando si lavora insieme», ha commentato con entusiasmo Lawrence Bonassar, professore associato di ingegneria biomedica presso la Cornell University e co-autore dello studio.

I ricercatori stanno già pensando a come perfezionare la loro ricetta cambiando un ingrediente: sperano infatti di riuscire a sostituire la cartilagine bovina con quella umana, coltivando in laboratorio estese popolazioni di cellule cartilaginee di un orecchio umano.

«L’utilizzo di cellule umane, soprattutto quelle dello stesso paziente, ridurrebbe ogni possibilità di rigetto», ha affermato Jason Spector, direttore del Laboratorio di Medicina e Chirurgia Biorigenerative e professore associato di chirurgia plastica presso il Weill Cornell Medical College. Se tutti i test di sicurezza e di efficacia saranno superati, il primo impianto umano potrebbe essere una realtà fra appena tre anni.

Per la lezione

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