Micro-fabbriche biologiche: stampare strutture 3D dentro le cellule umane è ora realtà

Siamo abituati a pensare alla stampa 3D come a uno strumento per creare prototipi industriali o gadget casalinghi. Tuttavia, la vera rivoluzione sta avvenendo in una scala dimensionale che l’occhio umano non può neppure concepire. Un team di ricercatori (tra cui scienziati dell’Istituto J. Stefan in Slovenia) ha varcato una nuova frontiera: fabbricare microstrutture polimeriche personalizzate direttamente all’interno di cellule umane viventi.  Un paper su Advanced Maerials presenta questa tecnica.

Non si tratta di inserire oggetti già fatti, ma di costruirli “in loco”, mattone dopo mattone (o meglio, voxel dopo voxel), all’interno di un ambiente densamente popolato e delicatissimo.

Il problema dell’ “arredamento” cellulare

Fino ad oggi, inserire oggetti solidi in una cellula era un’impresa frustrante. Le cellule hanno meccanismi di difesa efficaci:

• Fagocitosi: La cellula “mangia” l’oggetto esterno, ma lo intrappola in una vescicola (fagosoma), isolandolo dal resto del citoplasma. È come avere un ospite in casa, ma chiuso a chiave nello sgabuzzino.
• Microiniezione: Funziona bene per i liquidi, ma non permette di introdurre strutture solide complesse senza distruggere la membrana.

La nuova tecnica aggira il problema: si inietta un liquido, e lo si solidifica solo dove serve.

La tecnica: Polimerizzazione a Due Fotoni (TPP)

Il cuore dell’innovazione risiede nella polimerizzazione a due fotoni (TPP). Ecco come i ricercatori hanno trasformato una cellula HeLa in un cantiere edile microscopico:

1. L’iniezione: Si inietta nella cellula una gocciolina di fotoresist (una resina sensibile alla luce, nel caso specifico IP-S o IP-n162) biocompatibile.
2. Il laser: Un laser a femtosecondi (780 nm) illumina la goccia. La magia della fisica quantistica fa sì che la resina solidifichi solo nel punto focale esatto del laser, lasciando liquido tutto il resto.
3. La scultura: Muovendo il laser, si “disegna” l’oggetto 3D. La parte non solidificata si dissolve o viene espulsa, lasciando la struttura pulita.

Il livello di precisione è sbalorditivo: nonostante la rifrazione della luce attraverso la goccia curva, si ottengono dettagli con una risoluzione di circa 260 nanometri.

Un elefante nella… cellula

Per dimostrare la versatilità del metodo, il team non si è limitato a forme geometriche. Ha stampato un elefante di 10 micrometri all’interno di una cellula viva. Le immagini al microscopio elettronico (SEM) e confocale confermano che l’elefante è perfettamente formato, con la membrana cellulare intatta che lo avvolge e il nucleo che si sposta gentilmente per fargli spazio.

L’elefantino stampato in 3 d dentro la cellula – Advanced Materials

Sopravvivenza e “Codici a Barre” viventi

Ma il “paziente” sopravvive all’operazione? I dati dello studio sono onesti e illuminanti. La mortalità cellulare esiste, ma non è causata dalla stampa in sé, bensì dall’iniezione iniziale.

Le cellule sopravvissute non solo stanno bene, ma si dividono. Durante la mitosi, la struttura stampata viene passata a una delle cellule figlie. Se l’oggetto è ingombrante (>5 micrometri), la divisione ritarda di qualche ora, segno che la cellula “sente” il peso dell’ospite, ma completa comunque il ciclo.

Le Applicazioni: Dai Barcode ai Laser

Le implicazioni pratiche vanno ben oltre la curiosità scientifica:

• Barcoding Cellulare: È possibile stampare codici a barre 3D unici dentro ogni cellula. Con un sistema a 64 bit (cilindri pieni o vuoti), si potrebbero taggare miliardi di singole cellule per tracciarle individualmente nel tempo.
• Microlaser (WGM): Usando resine ad alto indice di rifrazione, hanno creato microlaser attivi dentro la cellula. Illuminati dall’esterno, questi emettono segnali luminosi che possono fungere da sensori ultra-precisi.
• Meccanobiologia: Si possono stampare molle o gabbie per esercitare forze meccaniche sugli organelli e studiare come la cellula reagisce allo stress fisico dall’interno.

Domande e risposte

Perché stampare dentro la cellula è meglio che iniettare oggetti già fatti?

I metodi tradizionali come la fagocitosi intrappolano gli oggetti in membrane protettive (fagosomi), impedendo loro di interagire direttamente con il citoplasma. La microiniezione di solidi, invece, è troppo distruttiva per oggetti grandi. La stampa in situ permette di avere oggetti solidi, complessi e funzionali (come sensori o strutture meccaniche) liberi nel citoplasma (citosol), permettendo interazioni dirette con i meccanismi cellulari senza barriere aggiuntive.

Quanto sono piccoli gli oggetti stampati?

Parliamo di strutture nell’ordine dei 10 micrometri (0,01 millimetri), circa un quinto dello spessore di un capello umano o la dimensione di un globulo rosso. La precisione della tecnica (risoluzione) arriva fino a 260 nanometri. Questo permette di creare dettagli finissimi, come le zampe dell’elefante microscopico o le griglie di un codice a barre tridimensionale, che sarebbero impossibili da realizzare con altre tecniche di fabbricazione su questa scala.

Quali sono i rischi per la cellula?

Il rischio principale è meccanico: l’ago usato per iniettare la resina liquida danneggia la membrana, causando una mortalità del 50-55% nelle 24 ore successive. Tuttavia, chi sopravvive all’iniezione tollera bene la stampa. Il materiale usato (fotoresist IP-S) è biocompatibile e, una volta solidificato, è inerte. Le cellule continuano a muoversi e dividersi, anche se oggetti molto voluminosi possono rallentare il processo di mitosi poiché la cellula deve “faticare” per gestire l’ingombro fisico.

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