Alle persone con gravi lesioni del midollo spinale è stata offerta una nuova speranza da parte di scienziati che hanno trattato con successo ratti con le stesse condizioni utilizzando la tecnologia 3D più avanzata.
Per la prima volta, i ricercatori della University of California di San Diego School of Medicine e Institute of Engineering in Medicine hanno utilizzato tecnologie di stampa 3D rapide per creare un midollo spinale, prima di impiantare con successo le impalcature, caricate con cellule staminali neurali, in siti di grave spinale lesione del midollo nei ratti.
Un impianto stampato in due millimetri, stampato in 3D, utilizzato per riparare le lesioni del midollo spinale nei ratti. I punti che circondano il nucleo a forma di H sono portali cavi attraverso i quali le cellule staminali neurali impiantate possono estendere gli assoni nei tessuti ospiti. Foto di Jacob Koffler e Wei Zhu per UC San Diego
Gli impianti hanno lo scopo di promuovere la crescita dei nervi attraverso le lesioni del midollo spinale, ripristinando le connessioni e la funzione persa. Nel ratto, gli scaffold hanno supportato la ricrescita dei tessuti, la sopravvivenza delle cellule staminali e l’espansione degli assoni delle cellule staminali neurali dall’impalcatura e nel midollo spinale ospite.
“Negli ultimi anni e giornali, ci siamo progressivamente avvicinati all’obiettivo di una rigenerazione abbondante e a lunga distanza degli assoni feriti nella lesione del midollo spinale, che è fondamentale per qualsiasi vero ripristino della funzione fisica”, ha detto l’autore co-senior Mark Tuszynski , MD, PhD, professore di neuroscienza e direttore del Translational Neuroscience Institute della UC of San Diego School of Medicine. Gli assoni sono le lunghe estensioni filiformi sulle cellule nervose che raggiungono la connessione con altre cellule.
“Il nuovo lavoro ci avvicina ancora di più alla realtà”, ha aggiunto il coautore Kobi Koffler, PhD, assistente scienziato del progetto nel laboratorio di Tuszynski, “perché l’impalcatura 3D ricapitola le sottili bande di assoni nel midollo spinale. Aiuta ad organizzare gli assoni rigeneranti per replicare l’anatomia del midollo spinale pre-infortunato. “
L’autore co-senior Dr Shaochen Chen ha utilizzato una rapida tecnologia di stampa 3D per creare un’impalcatura che imita le strutture del sistema nervoso centrale.
“Come un ponte, allinea gli assoni rigeneranti da un’estremità della ferita del midollo spinale all’altra. Gli assoni da soli possono diffondersi e ricrescere in qualsiasi direzione, ma l’impalcatura mantiene gli assoni in ordine, guidandoli a crescere nella giusta direzione per completare la connessione del midollo spinale “, ha detto Chen.
Gli impianti contengono dozzine di minuscoli canali lunghi 200 micrometri (il doppio della larghezza di un capello umano) che guidano la crescita delle cellule staminali neurali e degli assoni lungo la lunghezza della lesione del midollo spinale. La tecnologia di stampa utilizzata dal team di Chen produce impianti da due millimetri in 1,6 secondi. Le stampanti ad ugelli tradizionali impiegano diverse ore per produrre strutture molto più semplici.
Il processo è scalabile per le dimensioni del midollo spinale umano. Come prova del concetto, i ricercatori hanno stampato impianti di quattro centimetri di dimensioni modellate da scansioni MRI di lesioni umane del midollo spinale. Questi sono stati stampati entro 10 minuti.
“Questo dimostra la flessibilità della nostra tecnologia di stampa 3D”, ha detto il co-primo autore Wei Zhu, PhD, borsista post-dottorato in nanoingegneria nel gruppo di Chen. “Siamo in grado di stampare rapidamente un impianto che è giusto per abbinare il sito danneggiato del midollo spinale ospite a prescindere dalle dimensioni e dalla forma.”
I ricercatori hanno innestato i due millimetri di impianti stampati in 3D , caricati con cellule staminali neurali, in siti di grave lesione del midollo spinale nei ratti. Dopo alcuni mesi, il nuovo tessuto del midollo spinale era completamente ricresciuto lungo la lesione e collegava le estremità recise del midollo spinale ospite. I ratti trattati hanno riacquistato un significativo miglioramento motorio funzionale nelle loro zampe posteriori.
Il Dr Koffler ha dichiarato: “Questo segna un altro passo fondamentale verso la conduzione di studi clinici per riparare le lesioni del midollo spinale nelle persone. L’impalcatura fornisce una struttura fisica stabile che supporta l’attecchimento costante e la sopravvivenza delle cellule staminali neurali. Sembra proteggere le cellule staminali innestate dall’ambiente infiammatorio spesso tossico di una lesione del midollo spinale e aiuta a guidare gli assoni attraverso il sito della lesione completamente “.
Inoltre, i sistemi circolatori dei ratti trattati erano penetrati all’interno degli impianti per formare reti funzionanti di vasi sanguigni, che hanno aiutato le cellule staminali neurali a sopravvivere.
“La vascolarizzazione è uno dei principali ostacoli nella progettazione di impianti tissutali che possono durare nel corpo per un lungo periodo”, ha detto Zhu. “I tessuti stampati in 3D hanno bisogno di una vascolarizzazione per ottenere una quantità sufficiente di nutrimento e rifiuti di scarico. Il nostro gruppo ha già lavorato su reti di vasi sanguigni stampati in 3D, ma non l’abbiamo incluso in questo lavoro. La biologia si prende naturalmente cura di noi per noi grazie all’eccellente biocompatibilità dei nostri scaffold 3D “.
Ora gli scienziati stanno aumentando la tecnologia e testando modelli animali più grandi in preparazione di potenziali test umani. I prossimi passi includono anche l’incorporazione di proteine all’interno degli scaffold del midollo spinale che stimolano ulteriormente la sopravvivenza delle cellule staminali e la crescita degli assoni.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Medicine .