Il Pioneer Fellow Hao Liu utilizza il laser per produrre microstrutture fibrose al fine di far crescere in laboratorio tessuti biologici per la ricerca e la medicina, dal tessuto muscolare alla cartilagine. Ora sta cercando di rendere questa tecnologia pronta per il mercato.
Hao Liu è entrato per la prima volta in contatto con la produzione di tessuti biologici nel piatto di coltura in Giappone. "Durante il mio master all’Università di Osaka, ho lavorato a un progetto in cui abbiamo utilizzato una stampante 3D per produrre tessuto muscolare da bovini Wagyu", racconta Liu. Il manzo Wagyu è considerato una delle carni più tenere, succulente e costose al mondo. I ricercatori hanno quindi cercato di imitarla in laboratorio. "È stato allora che ho imparato che si può sviluppare qualcosa di rilevante e fare la differenza coltivando tessuti".
Liu ha iniziato i suoi studi in Cina. Si è trasferito a Osaka per il Master e dal 2020 è dottorando al Politecnico di Zurigo. Ha recentemente completato il dottorato. Ha già in tasca una ETH Pioneer Fellowship, che intende utilizzare per sviluppare un nuovo dispositivo per la produzione di tessuto con una microstruttura fibrosa fino alla maturità del mercato.
Il tessuto è microstrutturato
Tali microstrutture si trovano ovunque nel nostro corpo: le cellule dei muscoli, dei tendini, del tessuto connettivo e del sistema nervoso non sono disposte in modo casuale, ma seguono schemi chiari. Questi conferiscono al tessuto stabilità e flessibilità e lo aiutano a svolgere le sue varie funzioni: Per consentire ai muscoli di contrarsi, le cellule e le fibre dei muscoli sono allineate in parallelo. Nei tendini, che collegano i muscoli alle ossa, le cellule devono essere organizzate in modo tale che i tendini possano sopportare enormi forze di trazione. Anche il tessuto nervoso ha bisogno di una microstruttura speciale per poter trasmettere i segnali tra le cellule.
Quando i ricercatori producono tali tessuti in laboratorio, devono replicare queste strutture parallele. In molti casi, questo obiettivo viene raggiunto producendo prima un’impalcatura artificiale ma biocompatibile. Quindi fanno crescere le cellule su e all’interno di questa impalcatura per creare un tessuto perfettamente strutturato. In futuro, questo potrebbe servire come materiale sostitutivo in chirurgia, ad esempio per la rigenerazione dei nervi dopo gravi lesioni. Inoltre, queste colture di tessuto possono essere utilizzate per la ricerca sulle malattie e la sperimentazione di farmaci, riducendo così i test sugli animali. Oppure possono essere utilizzate per produrre carne in laboratorio, come ha fatto Liu in Giappone.
Mantenere fortunatamente i pezzi da lavorare
All’ETH, Liu ha scoperto un nuovo metodo per produrre un’impalcatura di tessuto con fibre estremamente sottili grazie alla fortuna. Ha lavorato con un processo già noto e ha utilizzato una gelatina modificata chimicamente che reagisce alla luce. La gelatina è inizialmente liquida. "Dove la irradiamo con il laser, si solidifica in un idrogel. Dove il laser non arriva, rimane liquida", spiega il neo-incoronato Pioneer Fellow. L’illuminazione mirata con il laser consente di produrre strutture tridimensionali di gel personalizzate.
Liu ha testato questo processo di produzione. Ha quasi buttato via i singoli pezzi di idrogel, ma li ha messi da parte e li ha recuperati in seguito. È stato allora che ha scoperto per la prima volta a occhio nudo ciò che è stato confermato al microscopio: la struttura del gel non era uniforme, ma consisteva in fibre estremamente sottili. "Marcy Zenobi-Wong, la professoressa che ha supervisionato la mia tesi di dottorato, e io eravamo entusiasti", ricorda Liu. Liu aveva creato microfibre nel gel con un diametro simile a quello delle fibre presenti in molti tessuti del corpo. Ha poi fatto crescere le cellule in questa struttura di gel per produrre un tessuto con una struttura a fibre. "Se avessi buttato via i pezzi all’epoca, non sarei dove sono oggi".
Lo scienziato ha iniziato a studiare la letteratura fisica e si è reso conto che un fenomeno ottico ben noto era all’origine delle microfibre nelle sue strutture di gel. La luce di un raggio laser non è ugualmente intensa ovunque. Se si analizza la sezione trasversale di un raggio laser con una risoluzione microscopica, si nota che l’intensità della luce assomiglia a un modello a punti: in alcuni punti è estremamente elevata, in altri piuttosto bassa. Se il materiale sensibile alla luce viene solidificato con un raggio laser, non si solidifica in modo uniforme, ma si crea una struttura di gel filamentoso parallelo. Tra queste fibre di gel sono presenti spazi simili a canali. Sia le fibre che i canali hanno un diametro di circa 2-20 micrometri. Se si aggiungono cellule alla gelatina, queste possono crescere nei canali. Il risultato è un tessuto fibroso molto simile alla struttura naturale di molti tessuti del corpo.
"Il fenomeno ottico che crea le strutture a fibre nel gel è noto da tempo ai fisici e agli scienziati dei materiali", spiega Liu. "Ma non è ancora stato utilizzato in biologia; noi siamo i primi".
Insieme agli studenti di design industriale dell’Università delle Arti di Zurigo, il team di Liu ha sviluppato il progetto di un prototipo di stampante per produrre tali strutture di gel fibroso per la coltura dei tessuti. Con l’aiuto della Pioneer Fellowship, Liu vuole ora portare una biostampante compatta alla maturità del mercato.
Sviluppo di farmaci e rigenerazione dei nervi
"Come primo passo, vogliamo mettere la tecnologia e la stampante a disposizione di altri scienziati, in modo che anche loro possano produrre questi tessuti e utilizzarli nelle loro ricerche", spiega Liu. "Diversi laboratori hanno già espresso interesse". Allo stesso tempo, Liu vuole sviluppare vari modelli di tessuto, ad esempio il tessuto muscolare o i tendini. "Il nostro obiettivo è creare modelli di tessuto umano adatti allo screening di farmaci ad alto rendimento e ad altre applicazioni". Pertanto, non vede solo la vendita del dispositivo come un’area di business futura, ma anche lo sviluppo e la vendita di tessuti prodotti in laboratorio per la ricerca e la medicina.
Il laboratorio di Liu è già riuscito a utilizzare la tecnologia per produrre tessuto muscolare, tendineo, nervoso e cartilagineo. Il Politecnico di Zurigo ha brevettato la tecnologia. "La nostra tecnologia è adatta a un’ampia gamma di applicazioni", afferma Liu. "È persino ipotizzabile che in futuro possa essere utilizzata per produrre canali nervosi da trapiantare in pazienti con lesioni nervose". O addirittura carne di laboratorio, come ha appreso in Giappone.
Nei prossimi anni, lo scienziato, che ha viaggiato molto, vuole sicuramente rimanere in Svizzera per vedere i progressi della sua tecnologia. Se in seguito sarà attratto da altri paesi" è possibile. In America, per esempio. "Finora ho conosciuto diverse specializzazioni di ricerca e una diversa cultura della ricerca in ogni Paese. Arrivare in un nuovo ambiente mi motiva molto. Ti aiuta a mettere in discussione ciò che hai fatto finora e a crescere personalmente", dice.
Il Giappone è noto per la ricerca sulle cellule staminali, dice Liu. Lì ha anche visto come i progetti di ricerca vengono commissionati dal governo e come i progetti vengono realizzati in un gruppo di ricerca secondo le specifiche. In Svizzera ha sperimentato esattamente il contrario: una grande libertà accademica, che il suo supervisore Marcy Zenobi-Wong gli ha concesso anche durante la tesi di dottorato. Questo gli ha permesso di adattare facilmente il focus del suo lavoro dopo la scoperta. Apprezza inoltre la cultura scientifica europea e l’ETH in particolare per l’approccio ingegneristico che qui viene enfatizzato. E, a suo avviso, le ottime condizioni per sviluppare una tecnologia insieme a dei partner e portarla sul mercato, come sta facendo lui.
