Stampato mirato

Array di trappole cellulari: trappole cellulari realizzate in silicio (a sinistra). A destra: cellule isolate nelle trappole cellulari (verde) e cellula che scorre accanto (linea a spirale). © Fraunhofer IMM / Fig. 2 Array di trappole cellulari: trappole cellulari in silicio (sinistra). A destra: cellule isolate nelle trappole cellulari (verde) e cellula che scorre accanto (linea a spirale). © Fraunhofer IMM

Trappola cellulare con ugello: La struttura della trappola cellulare è progettata per isolare la singola cellula dal resto delle cellule nel mezzo fluido, in modo che sia pronta per la stampa. © Fraunhofer IMM

Prospettive promettenti per la medicina personalizzata: professionisti dell'Istituto Fraunhofer per la Microtecnica e i Micro sistemi IMM utilizzano le loro competenze in microfluidica e tecnologie di singole cellule per stampare strutture di organi.

Le tecnologie di singole cellule svolgono un ruolo chiave nella ricerca e caratterizzazione delle cellule. Il dott. Christian Freese, responsabile del gruppo di diagnostica delle infezioni e del cancro presso l'IMM Fraunhofer, e i suoi colleghi utilizzano la microfluidica per selezionare e analizzare cellule singole in modo mirato. Nella loro piattaforma di diagnostica con biopsia liquida, rilevano e dispensano con successo cellule tumorali circolanti (CTC) e altri biomarcatori da biopsie liquide per una diagnostica senza barriere e completa. Tuttavia, per scienziati e ricercatori, questo non era abbastanza: perché non costruire qualcosa partendo dalle singole cellule?

Il principio TrapJet dell'IMM Fraunhofer

Con l'obiettivo di utilizzare le loro tecnologie e metodi per la stampa di cellule, hanno realizzato nel cleanroom del loro istituto strutture microfluidiche speciali su wafer di silicio, vere e proprie trappole per cellule: gli esperti introducono cellule umane su microchip microfluidici in canali molto piccoli. Nel flusso, le cellule vengono catturate in strutture speciali. La loro geometria specifica garantisce che vengano prese solo singole cellule, mentre altre continuano a fluire fino alla prossima trappola libera. Poiché molte trappole sono disposte in sequenza nello stesso canale, gli esperti possono indirizzare e dispensare cellule in modo preciso e simultaneo in diverse posizioni – e successivamente riempire di nuovo le trappole per cellule.

Come in una stampante a getto d'inchiostro, una bolla di riscaldamento dispenserebbe la cellula dall'ugello e la depositerebbe in una minuscola goccia. Diversi tipi di cellule ricevono ugelli di stampa separati e vengono stampate in parallelo, in canali microfluidici propri.

»Tutti i parametri necessari per una stampa biologica di successo sono coperti dalla microfluidica: stampiamo cellule on-demand, in modo sterile e rapido. Contemporaneamente, il processo garantisce un'alta percentuale di vitalità delle cellule stampate. Ciò include anche l'uso di biotinte caratteristici, composti da cellule e da una sostanza liquida specifica per ogni tipo di cellula, che sono anche gestibili nella microfluidica«, spiega Freese.

Molti metodi esistenti producono solo una sottile linea di biotinta in cui cellule distribuite casualmente si trovano sparse. Gli esperti dell'IMM stampano gocce minuscole, leggermente più grandi della cellula stessa. In questo modo, raggiungono una risoluzione particolarmente elevata: ogni cellula viene posizionata con precisione e può interagire direttamente con le cellule vicine. In questo modo, si intende ad esempio costruire colture di organi, che l'industria potrebbe usare per test di farmaci. L'obiettivo dichiarato degli esperti del Fraunhofer: stampare tessuti per trapianti di pelle o interi organi.

Più microfluidica per la medicina

Per sfruttare al massimo il enorme potenziale per la medicina, gli esperti dell'IMM Fraunhofer lanceranno l'anno prossimo, insieme ai colleghi del dipartimento «Tecnologie di salute clinica» dell'Istituto Fraunhofer per la tecnologia di produzione e automazione IPA di Mannheim, un centro di eccellenza per le tecnologie di singole cellule («LZ-EZT»), in cui unificheranno e continueranno a sviluppare le loro competenze.

Alla fiera Medica 2024, gli esperti hanno presentato le loro soluzioni allo stand congiunto Fraunhofer. Oltre alla stampa di singole cellule, i visitatori hanno potuto sperimentare in modo ludico il marcatore di cellule rare e la loro successiva isolazione attraverso un gioco VR appositamente sviluppato.