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• bioink
• bioprinting
• tissue engineering

Negli ultimi 20 anni, le cellule staminali mesenchimali derivate da tessuto adiposo (AD-MSC) sono diventate l’approccio più comunemente usato nello scenario clinico. Infatti, le AD-MSC sono facili da prelevare, isolare ed espandere, inoltre sono più abbonanti rispetto a quelle derivate dal midollo osseo, che è storicamente la principale fonte di cellule staminali mesenchimali. Le AD-MSC rappresentano una promessa per il futuro delle terapia cellulare e della medicina rigenerativa grazie alla secrezione di molecole bioattive con proprietà antiapoptotiche, antinfiammatorie, proangiogeniche e immunomodulatorie. Attualmente i trial clinici non hanno ancora modelli adeguati per la terapia cellulare e il bisogno di nuove piattaforme di studio per migliorare le conoscenze sulle malattie umane è impellente. Le colture cellulari 2D e i modelli animali, che sono richiesti dagli standard internazionali ISO, non riescono a riprodurre completamente la complessità dell’organismo umano e mancano di predittività. Infatti, gli studi di biocompatibilità richiedono test di tossicologia, irritazione, sensibilizzazione, pirogenicità in vivo, sia in cosmetica che nel campo biomedicale. Questi studi aumentano notevolmente i tempi e i costi della ricerca, e non minimizzano per nulla i test sugli animali come invece è richiesto dal principio delle 3R: “Rimpiazzare, Ridurre, Rifinire”. Ad oggi, la ricerca scientifica a livello mondiale sta affrontando il problema cercando di trovare nuovi modelli 3D che possano rimpiazzare gli animali e le colture cellulari 2D.
La stampa 3D può essere considerata una tecnologia avanzata molto promettente per superare queste limitazioni: essa è caratterizzata da un’alta riproducibilità e un preciso controllo sugli oggetti fabbricati. Questi sono ottenuti attraverso la deposizione strato per strato di cellule, molecole bioattive e biomateriali combinati insieme in una miscela chiamata “bioinchiostro”. I principali vantaggi della stampa 3D sono: a) la standardizzazione della produzione di organi e tessuti, b) il mantenimento di un’alta vitalità cellulare e c) la distribuzione omogenea delle cellule dentro lo scaffold. Il bioinchiostro è sicuramente l’aspetto più cruciale all’interno dell’ingegneria tissutale poiché rappresenta il microambiente in cui le cellule vengono incapsulate, il quale può influire sull’espressione genica e sul comportamento delle cellule stesse.
L’obiettivo di questo studio è comparare 2 diversi bioinchiostri, qui chiamati bioinchiostro#1 e bioinchiostro#2. Le AD-MSC umane miscelate con i bioinchiostri sono state stampate attraverso il metodo di stampa per estrusione e le colture così ottenute sono state mantenute in vitro per 8 settimane. Per ogni time point (0, 2, 4 e 8 settimane) sono stati svolti il saggio Live/Dead e l’istologia per studiarne la vitalità cellulare e l’architettura 3D. E’ stata inoltre analizzata l’espressione genica delle AD-MSC all’interno degli scaffold. Entrambi i bioinchiostri hanno mostrato una struttura ben organizzata a più strati fin dalla seconda settimana di coltura. Sorprendentemente, al contrario della maggior parte dei modelli 3D descritti in letteratura, le colture sono rimaste vitali fino a 8 settimane.
I risultati suggeriscono che il bioinchiostro#2 sia il migliore in termini di vitalità cellulare, organizzazione strutturale ed espressione genica. In conclusione, è stato dimostrato che la stampa 3D delle AD-MSC con il bioinchiostro#2 rappresenta uno strumento avanzato e molto promettente nella ricerca scientifica, in terapia cellulare e in medicina rigenerativa.

In the last decades, human adipose-derived mesenchymal stem cells (AD-MSCs) became the most commonly used approach in the clinical scenario. In fact, they are easy to harvest, isolate and expand, and they are more abundant in comparison with the bone marrow-derived ones. Furthermore, AD-MSCs represent a great promise for cell therapy and regenerative medicine thanks to the paracrine secretion of trophic factors with anti-apoptotic, anti-inflammatory, proangiogenic and immunomodulatory properties. Currently, clinical trials still lack of advanced tools for cellular therapy. The need of new platforms to improve the knowledge of human diseases, is mandatory for regenerative approaches. Moreover, 2D cell cultures and animal models, required by ISO international standards, do not fully recapitulate the human complexity and they are not totally predictive. In fact, biocompatibility studies require in vivo toxicology, irritation, sensitization, pyrogenicity, etc. in cosmetic and in biomedical fields. These studies increase research times and costs, and do not minimize animal testing as required by the 3R principle: “Replacement, Reduction, Refinement”. Currently, global scientific research is facing the issue, trying to find more advanced and predictive 3D models that could replace animals and 2D cell cultures. In order to overcome these limitations, 3D bioprinting can be considered as a promising additive manufacturing technology characterized by high reproducibility and precise control. The fabricated constructs are obtained by the layer-by-layer deposition of cells, bioactive molecules and biomaterials combined in a mixture called “bioink”. The major advantages of 3D bioprinting are: a) the standardization in the production of tissues and organs, b) the maintenance of high cell viability and c) the homogeneous distribution of cells inside the scaffold. The bioink represents the most crucial aspect in tissue engineering: in fact, since it represents the microenvironment in which cells are encapsulated, it can affect gene expression and cell behaviour. In this study, we compared two different bioinks, here called bioink#1 and bioink#2. Human AD-MSCs were embedded and printed through the extrusion-based method: the 3D cultures obtained, were maintained until 8 weeks after bioprinting. At each time point (0, 2, 4 and 8 weeks), Live/Dead and histological assays were performed in order to investigate both cell viability and tissue architecture. We also evaluated the gene expression profile of AD-MSCs inside the scaffolds. Both the bioinks showed a well-organized multi-layered structure since the second week of culture. Surprisingly, viable cells were detectable up to 8 weeks, with the respect of the majority of 3D culture models described in literature. Taken together, our results suggest that bioink#2 is the most appropriate scaffold for bioprinting AD-MSCs in terms of cell viability, structure organization and gene expression profile. In conclusion, the 3D bioprinting of AD-MSCs embedded in the bioink#2, represents an advanced and promising platform in scientific research, cell therapy and regenerative medicine.