3D printing to grow hair: a potential cure for baldness / Stampa 3D per far crescere i capelli: una potenziale cura per la calvizie
US researchers use additive technique to create optimised environment to grow human hair in a petri dish
The hype around 3D printing has been so intense in recent years that it’s been touted as a solution to almost every human and manufacturing problem. However, to The Engineer’s knowledge, until now it has never been suggested as a cure for hair loss, but a dermatologist at Columbia University in New York is claiming just that.
The researchers have been trying to find why cells taken from the base of human hair follicles do not sprout hairs when cultured in the lab. “Cells from rats and mice grow beautiful hairs,” said Angela Christiano, a professor of dermatology at Columbia’s Vagelos College of Physicians and Surgeons. “But for reasons we don’t totally understand, human cells are resistant.”
Culturing follicular cells until they grow hair and then transplanting them into the scalp would be an effective treatment for hair loss, which affects men and women.
Christiano’s approach to the problem has been to try to recreate the conditions in which human follicles grow in the lab. An early attempt, in which she created small clumps of cells inside hanging drops of liquid produced unpredictable results, so she turned to 3D printers to try to create a more natural microenvironment.
In a paper in Nature Communications, Christiano and colleagues including Colin Jahoda, a bioscientist from Durham University, explain how they used 3D printers to replicate the shape of the environment in which follicular cells develop in hair bearing skin. The key factor in the shape was that the wells in which the cells were cultured featured a long, thin extension half a millimetre wide above the cell. “Previous fabrication techniques have been unable to create such thin projections, so this work was greatly facilitated by innovations in 3D printing technology,” said Erbil Abaci, first author of the Nature paper.
The team placed hair follicle cells into the wells and then placed more cells on top that produce keratin, the protein from which hair is made. The wells were then dosed with growth factors to encourage hair production. After a three-week culturing period, hair began to grow.
Although the process still needs to be optimised, Christiano and team are confident that it could lead to a more effective process for producing implantable hair-bearing skin. At the moment, hair restoration surgery requires transplantation from an area where hair growth is stable enough for it to “take” in a new location, and as such is usually only possible in men whose hair loss has stabilised and still have enough hair (at the back of the head, for example) to donate – generally, some 2000 healthy follicles are needed growing dense hair for a transplant to be successful. Hair transplants in women are much more difficult, because their patterns of hair loss are different from those in men.
“What we’ve shown is that we can basically create a hair farm: a grid of hairs that are patterned correctly and engineered so they can be transplanted back into that same patient’s scalp,” Christiano said. “That expands the availability of hair restoration to all patients – including the 30 million women in the United States who experience hair thinning and young men whose hairlines are still receding. Hair restoration surgery would no longer be limited by the number of donor hairs.”
Another possibility for the technique is to create a laboratory environment in which hair restoring drugs could be screened and tested. No such research tool currently exists: the only drugs effective and licensed for hair restoration were not found by deliberate screening, but was a serendipitous discovery during the testing of active ingredients for a different conditions.
The video below shows how the team achieved its goal, while also providing an explanation for Prof Cristiano’s interest in hair: / Il video qui sotto mostra come la squadra ha raggiunto il suo obiettivo, fornendo anche una spiegazione per l'interesse del Prof Cristiano per i capelli:
ITALIANO
I ricercatori statunitensi usano una tecnica additiva per creare un ambiente ottimizzato per far crescere i capelli umani in una capsula di Petri
L'entusiasmo per la stampa 3D è stato così intenso negli ultimi anni che è stato pubblicizzato come soluzione a quasi tutti i problemi umani e produttivi. Tuttavia, secondo le conoscenze dell'ingegnere, fino ad ora non è mai stato suggerito come cura per la perdita dei capelli, ma un dermatologo della Columbia University di New York sostiene proprio questo.
I ricercatori hanno cercato di scoprire perché le cellule prelevate dalla base dei follicoli piliferi umani non spuntano i peli quando vengono coltivate in laboratorio. "Le cellule di ratti e topi crescono capelli belli", ha detto Angela Christiano, professore di dermatologia al Vagelos College of Physicians and Surgeons della Columbia. "Ma per ragioni che non capiamo completamente, le cellule umane sono resistenti."
Coltivare cellule follicolari fino a fare crescere i capelli e poi trapiantarle nel cuoio capelluto sarebbe un trattamento efficace per la caduta dei capelli, che colpisce uomini e donne.
L'approccio di Christiano al problema è stato quello di provare a ricreare le condizioni in cui i follicoli umani crescono in laboratorio. Un primo tentativo, in cui ha creato piccoli gruppi di cellule all'interno di gocce pendenti di liquido prodotte risultati imprevedibili, così si è rivolta alle stampanti 3D per provare a creare un microambiente più naturale.
In un articolo su Nature Communications, Christiano e colleghi, tra cui Colin Jahoda, un bioscienziato dell'Università di Durham, spiegano come hanno usato le stampanti 3D per replicare la forma dell'ambiente in cui le cellule follicolari si sviluppano nella pelle che porta i capelli. Il fattore chiave nella forma era che i pozzetti in cui le cellule erano coltivate presentavano un'estensione lunga e sottile larga mezzo millimetro sopra la cellula. "Le tecniche di fabbricazione precedenti non sono state in grado di creare proiezioni così sottili, quindi questo lavoro è stato notevolmente facilitato dalle innovazioni nella tecnologia di stampa 3D", ha affermato Erbil Abaci, primo autore del libro Nature.
Il gruppo ha inserito le cellule del follicolo pilifero nei pozzetti e poi ha posizionato più cellule in cima che producono cheratina, la proteina da cui sono fatti i capelli. I pozzetti sono stati quindi dosati con fattori di crescita per incoraggiare la produzione di capelli. Dopo un periodo di coltura di tre settimane, i capelli cominciarono a crescere.
Anche se il processo deve ancora essere ottimizzato, Christiano e il gruppo sono fiduciosi che potrebbe portare a un processo più efficace per la produzione di pelle impiantata per capelli. Al momento, la chirurgia per il ripristino dei capelli richiede il trapianto da un'area in cui la crescita dei capelli è abbastanza stabile da "prendere" in una nuova posizione, e come tale è solitamente possibile solo negli uomini la cui perdita di capelli si è stabilizzata e ha ancora abbastanza capelli nella parte posteriore della testa, per esempio) per donare - in genere, sono necessari circa 2000 follicoli sani per far sì che i trapianti densi di capelli abbiano successo. I trapianti di capelli nelle donne sono molto più difficili, perché i loro modelli di perdita di capelli sono diversi da quelli negli uomini.
"Quello che abbiamo dimostrato è che possiamo praticamente creare una capigliatura: una griglia di capelli modellati correttamente e progettati in modo che possano essere trapiantati nello stesso cuoio capelluto del paziente", ha detto Christiano. "Questo espande la disponibilità del ripristino dei capelli a tutti i pazienti - compresi i 30 milioni di donne negli Stati Uniti che hanno esperienza di diradamento dei capelli e giovani uomini le cui linee passanti stanno ancora retrocedendo. La chirurgia per il ripristino dei capelli non sarebbe più limitata dal numero di capelli del donatore. "
Un'altra possibilità per la tecnica è quella di creare un ambiente di laboratorio in cui i farmaci per il ripristino dei capelli possano essere esaminati e testati. Attualmente non esiste uno strumento di ricerca di questo tipo: gli unici farmaci efficaci e autorizzati per il ripristino dei capelli non sono stati trovati con uno screening intenzionale, ma è stata una scoperta fortuita durante la sperimentazione di ingredienti attivi per condizioni diverse.
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