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.