I ricercatori dell'ETH sviluppano cartilagine auricolare elastica coltivata in laboratorio / ETH Researchers Engineer Elastic Lab‑Grown Ear Cartilage

I ricercatori dell'ETH sviluppano cartilagine auricolare elastica coltivata in laboratorio / ETH Researchers Engineer Elastic Lab‑Grown Ear Cartilage

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Ricercatori del Politecnico di Zurigo (ETH), dell'Istituto Friedrich Miescher di Basilea e dell'Ospedale Cantonale di Lucerna hanno creato in laboratorio cartilagine auricolare elastica utilizzando cellule umane.

Questo rappresenta un passo significativo verso le tecniche di ricostruzione clinica.

Il gruppo ha prodotto tessuto con proprietà meccaniche paragonabili alla cartilagine auricolare naturale e, nei test sugli animali, le strutture ingegnerizzate hanno mantenuto la loro forma ed elasticità dopo sei settimane. Questa scoperta contribuisce agli sforzi in corso nella produzione additiva su larga scala per applicazioni biomediche.

Necessità clinica di una migliore ricostruzione dell'orecchio

La ricerca affronta una sfida di lunga data nel trattamento dei pazienti che perdono parte o tutta l'orecchio esterno a causa di ustioni, incidenti o condizioni congenite come la microtia, che colpisce circa quattro bambini su 10.000. Gli attuali metodi di ricostruzione si basano sul prelievo di cartilagine costale dal paziente, una procedura che può essere dolorosa e causare cicatrici o deformità del torace. L'orecchio risultante è spesso più rigido del tessuto naturale, il che ha spinto i ricercatori a cercare alternative.

"Non impiantiamo tessuti molli nella speranza che rimangano stabili nel corpo. Piuttosto, vogliamo raggiungere tale stabilità in laboratorio", ha affermato Philipp Fisch, autore principale dello studio pubblicato su Advanced Functional Materials e ricercatore senior presso il gruppo di Ingegneria dei Tessuti e Biofabbricazione dell'ETH.

Una delle principali sfide è rappresentata dall'elastina, la proteina responsabile della flessibilità dell'orecchio. I ricercatori non solo devono produrre elastina, ma anche assicurarsi che formi la rete corretta e rimanga stabile nel tempo. Un modello biologico completo per questo processo non è ancora stato identificato.

Dai tessuti del paziente alle strutture auricolari stampate in 3D

Il gruppo ha iniziato isolando le cellule da piccoli frammenti di cartilagine rimossi durante interventi chirurgici correttivi all'orecchio. Un campione di tessuto di tre millimetri produce circa 100.000 cellule, ma un orecchio stampato a grandezza naturale ne richiede diverse centinaia di milioni. Per raggiungere questo obiettivo, le cellule sono state espanse in una soluzione nutritiva e coltivate in un ambiente progettato per fornire ossigeno e nutrienti in profondità nel tessuto in via di sviluppo.

I ricercatori hanno testato diversi fattori di crescita per favorire la divisione cellulare, impedendo al contempo alle cellule di comportarsi come i fibroblasti, che producono collagene di tipo I e possono portare alla formazione di fibrocartilagine anziché del collagene di tipo II e dell'elastina desiderati, presenti nella cartilagine auricolare naturale.

Le cellule espanse sono state quindi incorporate in un bioinchiostro e stampate in strutture a forma di orecchio utilizzando una stampante 3D. Subito dopo la stampa, il tessuto era morbido e ha richiesto diverse settimane di maturazione in un incubatore con apporto continuo di nutrienti. L'obiettivo era stimolare la formazione di collagene di tipo II, elastina e glicosaminoglicani, che contribuiscono a rafforzare la cartilagine.

Stabilità dimostrata in modelli animali

Fisch ha affermato che i progressi del gruppo sono il risultato dell'ottimizzazione di quattro fattori chiave: proliferazione cellulare, proprietà del materiale, densità cellulare ed ambiente di maturazione. Dopo nove settimane di maturazione in laboratorio, le orecchie ingegnerizzate sono state impiantate sotto la pelle dei ratti e monitorate per diverse settimane. Le strutture sono rimaste dimensionalmente stabili dopo sei settimane, mostrando proprietà meccaniche simili alla cartilagine naturale.

"Nonostante questo grande successo, l'elastina rimane una sfida per noi, poiché non siamo riusciti a farla maturare completamente", ha affermato Fisch. "Abbiamo osservato dei cambiamenti nel tessuto. Ciò dimostra chiaramente che dobbiamo stabilizzarla ulteriormente."

I risultati rappresentano un promettente progresso nel campo della cartilagine ingegnerizzata e dimostrano il potenziale per future applicazioni cliniche, comprese quelle supportate dalle tecnologie di produzione additiva su larga scala.

ENGLISH

Researchers from ETH Zurich, the Friedrich Miescher Institute in Basel and the Cantonal Hospital of Lucerne have engineered elastic ear cartilage in the laboratory using human cells.

This marks a significant step toward clinical reconstruction techniques.

The team produced tissue with mechanical properties comparable to natural ear cartilage, and in animal tests the engineered structures retained their shape and elasticity after six weeks. The development contributes to ongoing efforts in large format additive manufacturing for biomedical applications.

Clinical Need For Improved Ear Reconstruction

The research addresses a longstanding challenge in treating patients who lose part or all of their outer ear through burns, accidents or congenital conditions such as microtia, which affects around four in every 10,000 children. Current reconstruction methods rely on rib cartilage harvested from the patient, a procedure that can be painful and may cause scarring or chest deformities. The resulting ear is often stiffer than natural tissue, prompting researchers to seek alternatives.

“We aren’t implanting soft tissue in the hope that it remains stable in the body. Instead, we want to achieve that stability in the laboratory,” said Philipp Fisch, lead author of the study published in Advanced Functional Materials and a senior researcher in ETH’s Tissue Engineering and Biofabrication Group.

A key challenge is elastin, the protein responsible for the ear’s flexibility. Researchers must not only generate elastin but also ensure it forms the correct network and remains stable over time. A complete biological blueprint for this process has yet to be identified.

From Patient Tissue To 3D‑Printed Ear Structures

The team began by isolating cells from small cartilage fragments removed during corrective ear surgeries. A three‑millimetre tissue sample yields around 100,000 cells, but a full‑sized printed ear requires several hundred million. To achieve this, the cells were expanded in a nutrient solution and cultured in an environment designed to deliver oxygen and nutrients deep into the developing tissue.

Researchers tested various growth factors to encourage cell division while preventing the cells from behaving like fibroblasts, which produce type I collagen and can lead to fibrocartilage rather than the desired type II collagen and elastin found in natural ear cartilage.

The expanded cells were then embedded in a bioink and printed into ear‑shaped structures using a 3D printer. Immediately after printing, the tissue was soft, requiring several weeks of maturation in an incubator with continuous nutrient supply. The goal was to stimulate the formation of type II collagen, elastin and glycosaminoglycans, which help strengthen cartilage.

Stability Demonstrated In Animal Models

Fisch said the team’s progress resulted from optimising four key factors: cell proliferation, material properties, cell density and the maturation environment. After nine weeks of laboratory maturation, the engineered ears were implanted under the skin of rats and monitored over several weeks. The constructs remained dimensionally stable after six weeks, showing mechanical properties similar to natural cartilage.

“Despite this major success, elastin remains a challenge for us, as we were not able to mature it fully,” Fisch said. “We observed changes in the tissue. That clearly shows that we need to stabilise it further.”

The findings represent a promising advance in engineered cartilage and demonstrate the potential for future clinical applications, including those supported by large format additive manufacturing technologies.

Da:

https://www.eurekamagazine.co.uk/content/news/eth-researchers-engineer-elastic-lab-grown-ear-cartilage?utm_source=content_recommendation&utm_medium=blueconic