L’ingegneria tissutale si è evoluta dal campo dello sviluppo del biomateriale e si riferisce alla pratica di combinare scaffold , cellule e molecole biologicamente attive in tessuti funzionali. L’obiettivo dell’ingegneria dei tessuti è quello di assemblare costrutti funzionali che ripristinano, mantengono o migliorano i tessuti danneggiati o interi organi. La pelle e la cartilagine artificiali sono esempi di tessuti ingegnerizzati approvati dalla FDA; tuttavia, attualmente hanno un uso limitato nei pazienti umani.
La medicina rigenerativa è un campo ampio che include l’ingegneria tissutale, ma incorpora anche la ricerca sull’auto-guarigione – dove il corpo usa i propri sistemi, a volte con l’aiuto di materiale biologico estraneo per ricreare le cellule e ricostruire tessuti e organi. I termini “ingegneria dei tessuti” e “medicina rigenerativa” sono diventati in gran parte intercambiabili, poiché il settore spera di concentrarsi sulle cure anziché sulle terapie per malattie complesse, spesso croniche.
Questo campo continua ad evolversi. Oltre alle applicazioni mediche, le applicazioni non terapeutiche includono l’utilizzo di tessuti come biosensori per rilevare agenti di minaccia biologici o chimici e trucioli di tessuto che possono essere utilizzati per testare la tossicità di un farmaco sperimentale.
Come funzionano l’ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa?
Le cellule sono gli elementi costitutivi del tessuto e i tessuti sono l’unità base della funzione nel corpo. Generalmente, i gruppi di cellule creano e secernono le proprie strutture di supporto, chiamate matrice extracellulare. Questa matrice, o scaffold , fa molto di più che supportare le cellule; funge anche da stazione di rilancio per varie molecole di segnalazione. Pertanto, le celle ricevono messaggi da molte fonti che diventano disponibili dall’ambiente locale. Ogni segnale può iniziare una catena di risposte che determinano cosa succede alla cella. Comprendendo come le singole cellule rispondono ai segnali, interagiscono con il loro ambiente e si organizzano in tessuti e organismi, i ricercatori sono stati in grado di manipolare questi processi per riparare i tessuti danneggiati o persino crearne di nuovi.
Il processo inizia spesso con la costruzione di un’impalcatura da un’ampia serie di possibili fonti, dalle proteine alla plastica. Una volta creati gli scaffold , è possibile introdurre celle con o senza un “cocktail” di fattori di crescita. Se l’ambiente è giusto, si sviluppa un tessuto. In alcuni casi, le cellule, lo scaffold e i fattori di crescita vengono tutti mescolati contemporaneamente, consentendo al tessuto di “autoassemblarsi”.
Un altro metodo per creare nuovi tessuti utilizza uno scaffold esistente . Le cellule di un organo donatore vengono rimosse e il restante scaffold di collagene viene utilizzato per far crescere nuovi tessuti. Questo processo è stato utilizzato per il cuore bioingegnere, fegato, polmone e tessuto renale. Questo approccio è molto promettente per l’utilizzo di ponteggi dal tessuto umano scartati durante l’intervento chirurgico e combinandolo con le cellule di un paziente per realizzare organi personalizzati che non sarebbero rifiutati dal sistema immunitario.
In che modo l’ingegneria tissutale e la medicina rigenerativa si adattano alle attuali pratiche mediche?
Un biomateriale fatto dall’intestino dei maiali che può essere usato per guarire le ferite nell’uomo. Una volta inumidito, il materiale, chiamato SIS, è flessibile e facile da maneggiare.
Fonte: Stephen Badylak, Università di Pittsburgh.
Attualmente, l’ingegneria dei tessuti svolge un ruolo relativamente piccolo nel trattamento dei pazienti. Nei pazienti sono stati impiantati vescica integrativa, piccole arterie, innesti cutanei, cartilagine e persino una trachea piena, ma le procedure sono ancora sperimentali e molto costose. Mentre i tessuti organici più complessi come il cuore, il polmone e il tessuto epatico sono stati ricreati con successo in laboratorio, sono ben lungi dall’essere pienamente riproducibili e pronti per essere impiantati in un paziente. Questi tessuti, tuttavia, possono essere abbastanza utili nella ricerca, specialmente nello sviluppo di farmaci. L’utilizzo di tessuto umano funzionante per aiutare i candidati a medicare sullo schermo potrebbe accelerare lo sviluppo e fornire strumenti chiave per facilitare la medicina personalizzata risparmiando denaro e riducendo il numero di animali utilizzati per la ricerca.
Quali sono i ricercatori finanziati dal NIH che si stanno sviluppando nei settori dell’ingegneria dei tessuti e della medicina rigenerativa?
La ricerca sostenuta da NIBIB include lo sviluppo di nuovi materiali per scaffold e nuovi strumenti per fabbricare, immaginare, monitorare e preservare i tessuti ingegnerizzati. Alcuni esempi di ricerca in quest’area sono descritti di seguito.
- Controllo delle cellule staminali attraverso il loro ambiente:
per molti anni gli scienziati hanno cercato modi per controllare come le cellule staminali si sviluppano in altri tipi di cellule, nella speranza di creare nuove terapie. Due ricercatori NIBIB hanno sviluppato cellule staminali pluripotenti che hanno la capacità di trasformarsi in qualsiasi tipo di cellula – in diversi tipi di spazi definiti e hanno scoperto che questo confinamento ha innescato reti genetiche molto specifiche che hanno determinato il destino finale per le cellule. La maggior parte delle altre ricerche mediche sulle cellule staminali pluripotenti si è concentrata sulla modifica della combinazione di soluzioni di crescita in cui sono posizionate le cellule. La scoperta dell’esistenza di un elemento biomeccanico per controllare come le cellule staminali si trasformano in altri tipi di cellule è un pezzo importante del puzzle mentre gli scienziati cercano di imbrigliare le cellule staminali per usi medici.
- Progettare cellule staminali ossee mature : i ricercatori finanziati dal NIBIB hanno completato il primo studio pubblicato che è stato in grado di prendere le cellule staminali dal loro stato pluripotente a innesti ossei maturi che potrebbero potenzialmente essere trapiantati in un paziente. In precedenza, gli investigatori potevano solo differenziare le cellule da una versione primitiva del tessuto che non era completamente funzionale. Inoltre, lo studio ha rilevato che quando l’osso è stato impiantato in topi immunodeficienti non si sono verificate crescite anomale in seguito, un problema che spesso si verifica dopo l’impianto di cellule staminali o disola patibolo osseo.
- Utilizzare reticoli per aiutare a sopravvivere il tessuto ingegnerizzato:
Attualmente, i tessuti ingegnerizzati che superano i 200 micron (circa il doppio della larghezza di un capello umano) in qualsiasi dimensione non possono sopravvivere perché non hanno reti vascolari (vene o arterie). I tessuti hanno bisogno di un buon “sistema idraulico” – un modo per portare nutrienti alle cellule e portare via i rifiuti – e senza un apporto di sangue o un meccanismo simile, le cellule muoiono rapidamente. Idealmente, gli scienziati vorrebbero essere in grado di creare tessuti ingegnerizzati con questo sistema idraulico già integrato. Un ricercatore finanziato da NIBIB sta lavorando su un sistema molto semplice e facilmente riproducibile per risolvere questo problema: una stampante a getto d’inchiostro modificata che appoggia un reticolo fatto di una soluzione di zucchero. Questa soluzione si indurisce e il tessuto ingegnerizzato (in forma di gel) circonda il reticolo. Successivamente, viene aggiunto del sangue che dissolve facilmente il reticolo di zucchero,
- Nuova speranza per il ginocchio: Fino ad ora, la cartilagine è stata molto difficile, se non impossibile, da riparare a causa del fatto che la cartilagine non ha un apporto di sangue per promuovere la rigenerazione. C’è stato un tasso di successo a lungo termine del 50% utilizzando la chirurgia delle microfratture nei giovani adulti che soffrono di infortuni sportivi, e poco o nessun successo in pazienti con degenerazione della cartilagine diffusa come l’osteoartrosi. Un ingegnere dei tessuti finanziato da NIBIB ha sviluppato un gel biologico che può essere iniettato in un difetto della cartilagine dopo un intervento chirurgico di microfrattura per creare un ambiente che faciliti la rigenerazione. Tuttavia, al fine di mantenere questo gel all’interno del ginocchio, i ricercatori hanno anche sviluppato un nuovo adesivo biologico che è in grado di legarsi sia al gel sia alla cartilagine danneggiata nel ginocchio, mantenendo la nuova cartilagine rigenerata in posizione. La combo gel / adesivo ha avuto successo nella rigenerazione del tessuto cartilagineo in seguito a un intervento clinico condotto in una recente sperimentazione clinica di quindici pazienti, i quali hanno riferito una riduzione del dolore a sei mesi dall’intervento. Al contrario, la maggior parte dei pazienti sottoposti a microfrattura, dopo una diminuzione iniziale del dolore, è tornata al livello di dolore originale entro sei mesi. Questo ricercatore ha lavorato in collaborazione con un altro beneficiario NIBIB per illustrare i pazienti sottoposti a intervento chirurgico che hanno consentito agli scienziati di combinare nuovi metodi non invasivi per vedere i risultati in evoluzione in tempo reale. restituito al loro livello di dolore originale entro sei mesi. Questo ricercatore ha lavorato in collaborazione con un altro beneficiario NIBIB per illustrare i pazienti sottoposti a intervento chirurgico che hanno consentito agli scienziati di combinare nuovi metodi non invasivi per vedere i risultati in evoluzione in tempo reale. restituito al loro livello di dolore originale entro sei mesi. Questo ricercatore ha lavorato in collaborazione con un altro beneficiario NIBIB per illustrare i pazienti sottoposti a intervento chirurgico che hanno consentito agli scienziati di combinare nuovi metodi non invasivi per vedere i risultati in evoluzione in tempo reale.
- Rigenerazione di un nuovo rene: la capacità di rigenerare un nuovo rene dalle cellule di un paziente fornirebbe un notevole sollievo per le centinaia di migliaia di pazienti affetti da malattie renali. Sperimentando su ratti, suini e cellule renali umane, i ricercatori supportati da NIDDK hanno aperto nuovi orizzonti su questo fronte estraendo prima le cellule da un organo donatore e utilizzando lo scaffold di collagene rimanente per aiutare a guidare la crescita di nuovi tessuti. Per rigenerare il tessuto renale vitale, i ricercatori hanno seminato lo scaffold renalecon cellule epiteliali ed endoteliali. Il tessuto organico risultante è stato in grado di cancellare i metaboliti, riassorbire i nutrienti e produrre urina sia in vitro che in vivonei ratti. Questo processo è stato precedentemente utilizzato per il cuore bioingegnere, il fegato e il tessuto polmonare. La creazione di tessuto trapiantabile per sostituire in modo permanente la funzione renale è un passo avanti nel superare i problemi di carenza di organi del donatore e la morbilità associata alla immunosoppressione nei trapianti di organi.
FONTE www.nibib.nih.gov
