Medicina

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Copertina della rivista


Prato con 2010 sullo sfondo

Realizzazione mediante tecniche di ingegneria tissutale di scaffold per la rigenerazione dei tessuti a partire da cellule staminali

L’utilizzo di questi nuovi materiali nanostrutturati apre nuove prospettive per le applicazioni biomediche, nella rigenerazione dei tessuti e nella comprensione dell’influenza del microambiente nel controllo del destino delle cellule staminali.


Le cellule staminali stanno suscitando un crescente interesse nella comunità scientifica internazionale per le loro potenzialità nell’ambito della medicina rigenerativa. L’obiettivo di molti laboratori impegnati in questo campo è attualmente quello di progettare la costruzione di supporti biocompatibili e biodegradabili che servano al differenziamento di cellule staminali per la costruzione in vitro del tessuto di interesse, prima del trapianto nel paziente. Nella ricostruzione in vitro di tessuti complessi, attualmente si preferisce l’utilizzo di matrici organiche, inorganiche e ibride, pur essendo in uno stadio di sperimentazione iniziale, rispetto a quello di scaffold e/o supporti naturali, in quanto sono più riproducibili nella struttura, mostrano maggiore resistenza meccanica, non contengono sostanze di origine animale potenzialmente contaminate e possono essere costruite nelle forme e dimensioni desiderate.

Da alcuni anni il nostro gruppo di ricerca ha messo a punto una metodica che sfrutta l’effetto positivo sulla proliferazione e sul differenziamento cellulare di fattori di crescita o molecole di adesione presenti nel mezzo in cui le matrici con le cellule vengono coltivate. Tramite questo approccio è possibile disegnare una strategia in cui il supporto/scaffold non è solo un veicolo cellulare o una modalità per riprodurre tessuto tridimensionale in laboratorio, ma partecipa attivamente al rilascio di fattori di crescita con molecole induttive della proliferazione o del differenziamento. Diverse possono essere le ricadute di una simile strategia. Un esempio è l’utilizzo di particolari scaffold ceramici capaci di favorire la formazione di tessuto osseo con caratteristiche fisicomeccaniche e biomediche molto simili a quelle di un osso naturale. Particolare attenzione viene posta alla scelta dei parametri di sintesi più appropriati per garantire le caratteristiche morfologiche e di stabilità fisico- termica degli scaffolds. In altre parole, a seconda del tessuto che si intende rigenerare vi saranno delle tecniche di produzione specifiche mirate alla creazione di scaffolds nanostrutturati.

La nano-microstruttura del nostro supporto verrà modellata tramite un processo denominato gelcasting. Attraverso questo processo siamo in grado di rendere più o meno poroso il nostro supporto cellulare garantendo un ambiente consono alla crescita delle cellule staminali. Un’altra applicazione di questa strategia è nello studio delle cellule staminali del sangue denominate ematopoietiche. Queste cellule sono state recentemente caratterizzate per la loro capacità rigenerativa nel diabete, l’infarto del miocardio e nelle patologie del muscolo. L’utilizzo di scaffolds nanostrutturati ci aiuta a riprodurre l’ambiente in cui normalmente queste cellule staminali risiedono nel corpo umano e di conseguenza a mantenerne le caratteristiche di staminalità. In questo senso, gli scaffold potrebbero fornire indicazioni spaziali di orientamento e distribuzione delle cellule staminali ed essere utilizzati per il rilascio di segnali di differenziamento, opportunamente complessati agli scaffold stessi (fattori induttivi, fattori di crescita, molecole di adesione).

Le ricadute di un simile approccio potrebbero aiutarci a produrre un sistema cellulare in grado di fornire un numero di cellule staminali adeguato per applicazioni cliniche. Un'altra ricaduta biomedica di questo progetto risiede nella possibilità di isolare cellule staminali da soggetti aventi una patologia geneticamente determinata e sfruttare l’ambiente degli scaffold nanostrutturati per correggerne il difetto genetico. Un esempio lo stiamo portando avanti nell’ambito delle patologie muscolari dove stiamo valutando la capacità di tali cellule di fondersi con le fibre dell'ospite e determinare se un trasferimento di cellule su supporti polimerici, anche più strati di scaffold contenenti progenitori muscolari, possa favorire la rigenerazione muscolare. Il successo di questi nuovi approcci dipende dalle proprietà di rigenerazione di progenitori muscolari, dal loro potenziale di differenziazione e proliferazione e dallo stesso scaffold, inteso come supporto di crescita biodegradabile, su cui queste cellule sono seminate. E’ necessario progettare uno scaffold che permetta adesione e proliferazione cellulare, che sia biocompatibile e che possa costituire un costrutto cellule- materiale in grado di partecipare alla rigenerazione muscolare in vivo. Recenti lavori hanno dimostrato che stress meccanici applicati ai supporti su cui crescono cellule miogeniche sono in grado di accelerare il loro completo differenziamento.

Nel caso del muscolo, l’interazione tra le cellule ed il substrato dipende dalle caratteristiche meccaniche, come l’elasticità, e dalla topografia superficiale di questo, in aggiunta ai segnali chimici presenti. Le forze meccaniche giocano infatti un ruolo importante nell’organizzazione, nella crescita e nel funzionamento dei tessuti in quanto le cellule sono in grado di trasdurre i segnali meccanici in segnali biologici. Questa linea di questa ricerca è finalizzata alla progettazione, la realizzazione e la successiva validazione di dispositivi atti a generare stress meccanici applicabili a supporti naturali o sintetici nanostrutturati utilizzabili per la coltura di cellule staminali. In questo campo, si applicheranno due diverse strategie: ricoprire la superficie di coltura dello scaffold con componenti della matrice extracellulare (come fibronectina, laminina o collagene) o fattori di crescita allo scopo di riproporre le caratteristiche chimiche dell’ambiente di provenienza delle cellule staminali adulte ematopoietiche e/o muscolari.

Oppure, utilizzare materiali inerti, con una superficie nanostrutturata (come ad esempio il biossido di titanio), quali substrati in grado di ricreare una condizione topografica tale da promuovere l’adesività, la proliferazione ed il differenziamento delle cellule in coltura. L’utilizzo di questi nuovi materiali nanostrutturati apre nuove prospettive per le applicazioni biomediche e nella rigenerazione dei tessuti e nella comprensione dell’influenza del microambiente nel controllo del destino delle cellule staminali.