Novel visible light degradable hydrogels embedded with cell-laden proteinosomes for the 3D bioprinting of diaphragm-like muscle tissues

L'ernia diaframmatica congenita (CDH) è un raro difetto di nascita che implica uno sviluppo incompleto del muscolo diaframmatico con conseguente erniazione di organi addominali nel torace. Questo progetto di ricerca mira a introdurre una nuova strategia dirompente per la fabbricazione di cerotti stampati in 3D, carichi di mioblasti e specifici per il paziente, per il potenziale trattamento della CDH postnatale. Sebbene siano stati fatti dei tentativi di bioprinting 3D di costrutti che imitano il tessuto muscolare, la loro traduzione clinica non è ancora stata raggiunta, poiché questi costrutti consistono in cellule disperse in una matrice idrogel non clinicamente approvata che non può essere impiantata nel corpo. Per risolvere questo problema fondamentale, 3D-L-INKED introdurrà un nuovo idrogel chimicamente reticolato che funge da supporto per il bioprinting e la crescita dei tessuti e che può essere gradualmente degradato utilizzando la luce visibile e, infine, completamente rimosso al momento della maturazione del tessuto. Utilizzando questa nuova strategia di luce visibile, saremo in grado di rimuovere efficacemente la componente indesiderata dell'idrogel prima dell'impianto del tessuto, senza danneggiare le cellule. Un'altra importante sfida del bioprinting è quella di ridurre le elevate sollecitazioni di taglio e compressione che vengono esercitate sulle cellule durante la loro estrusione attraverso gli ugelli della stampante. Per affrontare questa sfida, saremo pionieri nell'incapsulare le cellule all'interno di microcomparti semipermeabili morbidi, chiamati “proteinosomi”, che funzioneranno come “gusci” protettivi contro le sollecitazioni meccaniche derivanti dal bioprinting. È importante notare che nella fase iniziale della coltura tissutale, i nutrienti e i gas potranno permeare dall'ambiente esterno attraverso la membrana del proteinosoma, mentre nella fase successiva la membrana morbida del proteinosoma sarà progressivamente lacerata dal tessuto in crescita. Complessivamente, il 3D-L-INKED consentirà di generare costrutti di tessuto precisi e specifici per il paziente che avranno un ampio impatto non solo nel trattamento della CDH, ma anche su una serie di altri difetti muscolari congeniti. Infatti, data l'elevata modularità del nostro approccio (possibilità di utilizzare diverse linee cellulari, regolazione fine delle proprietà dell'idrogel e della forma e dimensione dei costrutti tissutali), saremo in grado di applicare la strategia a molteplici approcci di ingegneria tissutale e sfide di medicina rigenerativa. Per raggiungere gli ambiziosi obiettivi di 3D-L-INKED, abbiamo costituito un team di ricerca altamente competitivo e riconosciuto a livello internazionale. Il team comprende due unità con competenze altamente complementari che spaziano dalla sintesi organica e dei materiali alla biologia, all'ingegneria dei tessuti, al bioprinting 3D e alla caratterizzazione meccanica. Nel complesso, il team dispone delle competenze e delle attrezzature necessarie per il successo di 3D-L-INKED, tra cui l'accesso a laboratori di chimica sintetica completamente attrezzati, strumentazioni per la caratterizzazione meccanica di materiali morbidi e costrutti tissutali, nonché conoscenze e autorizzazioni per la manipolazione di cellule vive.

Congenital diaphragmatic hernia (CDH) is a rare birth defect that implies an incomplete development of the diaphragmatic muscle involving the herniation of abdominal organs in the chest. This research project aims to introduce a disruptive new strategy for the fabrication of 3D printed, myoblast-laden, patient-specific patches for the potential treatment of postnatal CDH. Although attempts have been reported to 3D bioprint constructs that mimic muscular tissue, their clinical translation has not been achieved yet, since these constructs consist of cells dispersed in a non-clinically approved hydrogel matrix which cannot be ultimately implanted in the body. In order to solve this key issue, 3D-L-INKED will introduce a novel chemically crosslinked hydrogel acting as the support for bioprinting and tissue growth that can be gradually degraded using visible light, and, ultimately, removed completely upon tissue maturation. Using this new visible light strategy, we will be able to effectively remove the unwanted hydrogel component before tissue implantation without damaging the cells. Another important challenge of bioprinting is to reduce the high shear and compressive stress that is exerted on the cells during their extrusion through the printer nozzles. To address this challenge, we will pioneer the encapsulation of cells inside soft semipermeable microcompartments called “proteinosomes”that will function as protective “shells” against mechanical stress resulting from bioprinting. Importantly, in the initial phase of the tissue culture, the nutrients and gasses will be able to permeate from the external environment through the proteinosome membrane, whereas in the later stage the soft proteinosome membrane will progressively be torn apart by the growing tissue. Overall, 3D-L-INKED will allow for the generation of precise, patient-specific tissue constructs that will have a broad impact not only in the treatment of CDH, but also on a variety of other muscular congenital defects. In fact, seen the high modularity of our approach (possibility of using different cell lines, fine-tuning of hydrogel properties and of shape and size of the tissue-like constructs), we will be able to apply the strategy to multiple tissue engineering approaches and regenerative medicine challenges. To achieve the ambitious objectives of 3D-L-INKED, we have composed a highly competitive and internationally recognised research team. The team comprises two units having highly complementary skills ranging from organic and materials synthesis to biology, tissue engineering, 3D bioprinting and mechanical characterization. Overall, the team has the expertise and equipment to make 3D-L-INKED a success, including access to fully equipped synthetic chemistry laboratories, instrumentations for the mechanical characterization of soft materials and tissue constructs, as well as knowledge and authorisations to manipulate live cells.