A review of retinal tissue engineering and the possible application of dECM bioink in retinal 3D printing

Visual impairments affect on average 2.1% of European population, and this percentage grows with growing age. Among visual impairments, degenerative retinal diseases are a group of diseases that if left untreated can cause irreversible blindness, since they are characterized by progressive irreversible cell death. Nowadays, there are not treatment strategies to reverse the degeneration of these diseases. Thus, in this work recent progresses in retinal regenerative medicine strategies are investigated. First of all, a brief description of the anatomy of the retina is performed; a particular focus is put on the retinal pigment epithelium (RPE) and Bruch’s membrane (BrM) but also on main characteristic of the neural retina. In fact, they are the main target of retinal tissue engineering strategies. Then, some of the most diffused retinal degeneration diseases such as age related macular degeneration (AMD), retinitis pigmentosa (RP), glaucoma and diabetic retinopathy (DR) are described. Finally, the main perspective in retinal tissue regeneration are reported. In the second chapter, among the most interesting approaches to retinal tissue engineering, both scaffold-free and scaffold-based methods are summarized. In particular, scaffold-free methods comprise cell suspension injection and cell sheet engineering approach. However, generally this approach does not allow obtaining good outcomes in terms of cell attachment to the retina. On the contrary, scaffold based methods are based on the use of material to lead cell growth, proliferation and differentiation. Of course, scaffold can be fabricated using natural or synthetic polymers, but also using natural membranes such as decellularized extracellular membrane (dECM). dECM are appealing material for tissue engineering because of their ability to mimic the native extracellular environment. They can be obtained through a decellularization process and dECM was already applied for retinal tissue engineering. In the third chapter, it is analysed the possibility to develop retinal dECM gels to be used as bioinks for 3D bioprinting applications. 3D bioprinting is an evolving biofabrication technique that provide the printing of cell-laden structures. Actually, 3D bioprinting allow the printing of biomaterials containing living cells or cell suspensions that can be deposited in a precise way. This technique is so appealing because it gives the possibility of controlling scaffold architecture, composition and porosity. In this final chapter, there is a focus on bioinks for 3D bioprinting, on their most important requirements and on the main materials used as bioinks in literature. Finally, the use of dECM gels as bioink in 3D bioprinting is considered. dECM bioink preparation strategies are summarized and some of the most interesting work on the use of dECM gel as bioink are reported. As a conclusion, a perspective for 3D printing of the retina using a retinal dECM bioink is presented.

I difetti visivi colpiscono in media il 2.1% della popolazione europea e questa percentuale cresce all’aumentare dell’età. Fra i difetti visivi, le malattie degenerative della retina sono un gruppo di patologie che se non trattate possono causare cecità irreversibile, poiché essi sono caratterizzati dalla perdita progressiva delle cellule retinali. Quindi, in questo lavoro verranno analizzati i recenti progressi svolti nell’ambito delle strategie di medicina rigenerativa della retina. Prima di tutto, viene svolta una breve descrizione dell’anatomia della retina con particolare focus sull’epitelio retinico pigmentoso (RPE), sulla membrana di Bruch (BrM) ma anche sulle principali caratteristiche della retina neurale. Infatti, questi sono i principali target delle strategie di ingegnerizzazione della retina. In seguito, vengono descritte alcune delle più diffuse malattie degenerative della retina come la degenerazione maculare senile, la retinitis pigmentosa, il glaucoma e le retinopatie diabetiche. Infine, vengono riportate le principali prospettive dell’ingegneria tissutale della retina. Nel secondo capitolo, si svolge una riassunto dei più interessanti approcci alla rigenerazione della retina, distinguendo gli approcci basati sull’utilizzo di scaffold (scaffold based) e quelli senza scaffold (scaffold-free). Fra questi ultimi, si citano l’iniezione di sospensioni cellulari e l’ingegneria dei foglietti tissutali. Tuttavia, generalmente queste strategie non consentono di ottenere buoni risultati in termini di adesione delle cellule alla retina in vivo. Al contrario, i metodi basati sull’utilizzo di scaffold utilizzano dei materiali che possano guidare la crescita, la proliferazione e la differenziazione delle cellule. Ovviamente, anche nel campo della rigenerazione della retina, gli scaffold possono essere fabbricati tramite polimeri naturali o sintetici, ma anche attraverso l’utilizzo di membrane naturali come le membrane extracellulari decellularizzate (dECM). dECM sono materiali molto attrattivi per l’ingegneria tissutale in quanto la loro capacità di mimare il microambiente extracellulare nativo è superiore a quello di qualsiasi altro materiale. Possono essere ottenuti tramite un processo di decellularizzazione e sono già state applicate anche alla rigenerazione della retina. Nel terzo capitolo, viene infine analizzata la possibilità di sviluppare dECM gel partendo dalla retina che possano essere applicati come bioink per l’applicazione del 3D bioprinting. Il 3D bioprinting è una tecnologia di biofabrication che è in costante evoluzione per permettere lo stampaggio di strutture caricate di cellule. Dovrebbe garantire lo stampaggio di biomateriali contenenti cellule vive o semplicemente sospensioni cellulari, che possano essere depositate su un substrato in modo controllato. Questa tecnologia è così interessante poiché dà la possibilità di poter decidere a priori e quindi controllare l’architettura finale dello scaffold ma anche la sua composizione e la sua porosità. In questo terzo capitolo, si pone attenzione ai bioink ad oggi sviluppati, sui requisiti tecnici necessari ma anche su quali materiali siano finora stati applicati nel 3D bioprinting. Infine, viene considerato l’utilizzo di dECM gel come bioink, vengono riassunte le principali metodologie per la produzione di un dECM bioink trovate in letteratura e vengono analizzati alcuni dei principali lavori nei quali questi materiali vengono applicati. In conclusione, viene presentata la prospettiva dell’utilizzo del 3D printing della retina sfruttando un dECM bioink ottenuto dal processamento della retina.