Ricerche

Immagina che i chirurghi possano trapiantare neuroni sani in pazienti con malattie neurodegenerative o ferite del cervello e del midollo spinale. E immagina che possano 'far crescere' questi neuroni in laboratorio da cellule del paziente, usando un materiale sintetico e altamente bioattivo adatto per la stampa 3D.

Scoprendo un nuovo biomateriale stampabile che può imitare le proprietà dei tessuti cerebrali, ricercatori della Northwestern University sono ora più vicini a sviluppare una piattaforma in grado di trattare queste condizioni con la medicina rigenerativa.

Un ingrediente chiave della scoperta è la capacità di controllare i processi di auto-assemblaggio delle molecole all'interno del materiale, consentendo ai ricercatori di modificare la struttura e le funzioni dei sistemi dalla nanoscala alla scala delle caratteristiche visibili.

Il laboratorio di Samuel Stupp ha pubblicato nel 2018 uno studio sulla rivista Science che dimostrava che i materiali possono essere progettati con molecole altamente dinamiche, programmate per migrare su lunghe distanze e auto-organizzarsi per formare fasci di nanofibre 'sovrastrutturate' più grandi.

Ora, un gruppo di ricerca guidato da Stupp ha dimostrato che queste sovrastrutture possono aumentare la crescita dei neuroni, una scoperta importante che potrebbe avere implicazioni per le strategie di trapianto di cellule per le malattie neurodegenerative come il Parkinson e l'Alzheimer, nonché la lesione del midollo spinale.

"Questo è il primo esempio in cui siamo riusciti a controllare il fenomeno di rimaneggiamento molecolare che abbiamo riferito nel 2018 e usarlo per un'applicazione di medicina rigenerativa", ha detto Stupp, l'autore senior dello studio e direttore del Northwestern Simpson Querrey Institute. "Possiamo anche usare costrutti del nuovo biomateriale per aiutare a scoprire terapie e capire le patologie".

Lo studio è stato pubblicato il 22 febbraio sulla rivista Advanced Science.

Molecole che camminano e stampa 3D

Il nuovo materiale è stato creato mescolando due liquidi che diventano rapidamente rigidi come risultato di interazioni note in chimica come 'complessi ospitante-ospite', che imitano le interazioni chiave-serratura tra le proteine, e anche come risultato della concentrazione di queste interazioni in regioni a scala micrometrica attraverso la lunga migrazione di 'molecole che camminano'.

Le molecole agili coprono una distanza migliaia di volte più grande di loro stesse per unirsi in grandi sovrastrutture. Alla scala microscopica, questa migrazione provoca una trasformazione nella struttura, da ciò che sembra un gruppo di spaghetti, a fasci simili a una corda.

"I biomateriali tipici usati in medicina, come gli idrogel polimeri, non hanno le capacità di consentire alle molecole di autoassemblarsi e muoversi all'interno di questi gruppi", ha detto Tristan Clemons, associato di ricerca nel laboratorio di Stupp, e  primo coautore dello studio con Alexandra Edelbrock, ex studentessa del gruppo. "Questo fenomeno è unico dei sistemi che abbiamo sviluppato qui".

Inoltre, come le molecole dinamiche si spostano per formare sovrastrutture, si aprono grandi pori che consentono alle cellule di penetrare e interagire con segnali bioattivi che possono essere integrati nei biomateriali.

È interessante notare che le forze meccaniche della stampa 3D rompono le interazioni ospitante-ospite nelle sovrastrutture e inducono il materiale a fluire, ma può solidificarsi rapidamente in qualsiasi forma macroscopica, perché le interazioni vengono ripristinate spontaneamente dall’auto-assemblaggio. Ciò consente anche la stampa 3D di strutture con strati distinti che ospitano diversi tipi di cellule neurali, al fine di studiare le loro interazioni.

Segnalazione della crescita neuronale

Le proprietà bioattive e della sovrastruttura del materiale potrebbero avere vaste implicazioni per la rigenerazione dei tessuti. I neuroni sono stimolati da una proteina nel sistema nervoso centrale, chiamata 'fattore neurotrofico derivato dal cervello' (BDNF), che li aiuta a sopravvivere promuovendo le connessioni sinaptiche e permettendo loro di essere più plastici. Il BDNF potrebbe essere una terapia preziosa per i pazienti con malattie neurodegenerative e con ferite nel midollo spinale, ma queste proteine ​​degradano rapidamente nel corpo e sono costose da produrre.

Una delle molecole nel nuovo materiale integra una imitazione di questa proteina, che attiva il suo recettore chiamato Trkb, e il team ha scoperto che i neuroni penetrano attivamente tra i grandi pori e popolano il nuovo biomateriale quando è presente il segnale di imitazione. Ciò potrebbe anche creare un ambiente in cui i neuroni differenziati dalle cellule staminali derivate dal paziente maturano prima del trapianto.

Ora che il team ha applicato una prova di concetto ai neuroni, Stupp crede di poter irrompere in altre aree della medicina rigenerativa, applicando diverse sequenze chimiche al materiale. Semplici cambiamenti chimici nei biomateriali consentirebbero loro di fornire segnali per una vasta gamma di tessuti.

"La cartilagine e il tessuto cardiaco sono molto difficili da rigenerare dopo un infortunio o un attacco di cuore, e la piattaforma potrebbe essere usata per preparare questi tessuti in vitro da cellule derivate dal paziente", ha detto Stupps. "Questi tessuti potrebbero quindi essere trapiantati per aiutare a ripristinare le funzioni perse. Oltre a questi interventi, i materiali potrebbero essere usati per costruire organoidi per scoprire terapie o addirittura impiantati direttamente nei tessuti da rigenerare poiché sono biodegradabili".