Institute for Regenerative Medicine (WFIRM), nella Carolina del Nord, hanno trovato il modo di far progredire la tecnica di bioprinting 3D che hanno sviluppato per ingegnerizzare il muscolo scheletrico come potenziale terapia per sostituire il tessuto muscolare malato o danneggiato, facendo un altro passo in avanti un giorno essere in grado di trattare i pazienti.
I muscoli scheletrici sono responsabili del movimento del corpo. Pertanto, quando sono danneggiati, ad esempio a causa di un trauma contusivo, lesioni da combattimento o ustioni, non vengono rigenerati ma richiedono invece un intervento chirurgico ricostruttivo e vengono sostituiti con un innesto muscolare, di solito utilizzando tessuto connettivo o tessuto adiposo, che non possiedono le capacità contrattili di tessuto muscolare, quindi col passare del tempo l’atrofia muscolare e queste cellule muscolari muoiono. Ci sono stati vari tentativi di recupero dei muscoli, come attraverso la terapia cellulare e l’uso di vari biomateriali, tuttavia nessuno di essi promuove la riparazione dei muscoli scheletrici e la rigenerazione funzionale. Secondo WFIRM, entrando nello studio, i ricercatori sapevano che un’efficace integrazione nervosa dei tessuti muscolari scheletrici bioingegnerizzati è stata una sfida, ma ora stanno dando nuova speranza ai pazienti.
Nel loro recente documento intitolato ” Integrazione delle cellule neurali nei costrutti muscolari scheletrici bioprintati 3D accelera il ripristino della funzione muscolare “, Ji Hyun Kim, Ickhee Kim, Young-Joon Seol, In Kap Ko, James J. Yoo, Anthony Atala e Sang Jin Lee pubblicato uno studio che indaga gli effetti dell’integrazione delle cellule neurali nel costrutto del muscolo scheletrico bioprintato per accelerare la rigenerazione muscolare funzionale in vivo . Cioè, hanno applicato i costrutti bioprinted in un modello di ratto con una lesione da difetto del muscolo tibiale anteriore (TA) e hanno valutato i risultati funzionali della ricostruzione e dell’innervazione del tessuto muscolare.
“Essere in grado di costruire bioingegneri impiantabili di muscoli scheletrici che imitano il muscolo nativo per ripristinare la funzione rappresenta un progresso significativo nel trattamento di questi tipi di lesioni”, ha detto l’autore principale Ji Hyun Kim, un istruttore di WFIRM. “La nostra speranza è quella di sviluppare un’opzione terapeutica che aiuti a guarire i pazienti feriti e restituisca loro la maggior funzionalità e normalità possibile”.
WFIRM riconosce che gli scienziati dell’istituto avevano precedentemente dimostrato che il sistema integrato di stampa di tessuti e organi (ITOP), sviluppato internamente per un periodo di 14 anni, è in grado di generare tessuti muscolari stampati organizzati che sono abbastanza robusti da mantenere le sue caratteristiche strutturali. Da allora, i ricercatori hanno sviluppato e testato diversi tipi di costrutti del tessuto muscolare scheletrico per trovare la giusta combinazione di cellule e materiali per raggiungere il tessuto muscolare funzionale. Nel presente studio, hanno studiato gli effetti dell’integrazione delle cellule neurali nel costrutto muscolare bioprintato per accelerare la rigenerazione muscolare funzionale.
In questo particolare studio, la lesione da difetto muscolare nel roditore è stata creata rimuovendo il 40% della massa muscolare TA e altre lesioni che hanno causato deformità anatomiche e funzionali irreversibili dopo sei mesi dalla lesione. Dopo aver creato il difetto muscolare TA, hanno impiantato i costrutti muscolari scheletrici bioprinted con cellule progenitrici muscolari (MPC) nei siti di difetto per la rigenerazione anatomica e funzionale del muscolo scheletrico.
Il team ha utilizzato il proprio sistema di bioprinting personalizzato per fabbricare i costrutti muscolari scheletrici. Descrivono il sistema come costituito da quattro moduli di erogazione (comprese le unità di raffreddamento e riscaldamento), un regolatore di pressione pneumatico, uno stadio e un controller XYZ , un regolatore di temperatura e un umidificatore in una camera chiusa. Hanno usato idrogel carico di cellule, idrogel sacrificale acellulare e polimero di supporto per i costrutti muscolari scheletrici 3D, caricando i bioink in diverse siringhe sterili.
I risultati dello studio affermano che l’ingresso neurale nel costrutto del muscolo scheletrico bioprintato mostra il miglioramento della formazione di miofibre (una singola cellula multinucleata del muscolo), la sopravvivenza a lungo termine e la formazione della giunzione neuromuscolare in vitro . Inoltre, affermano che i costrutti bioprinted con l’integrazione delle cellule neurali facilitano l’innervazione rapida e maturano in tessuto muscolare organizzato che ripristina il normale peso muscolare e la funzione nel modello dei roditori. Inoltre suggeriscono che i costrutti muscolari neurale-scheletrici umani bioprintati in 3D possano essere rapidamente integrati con la rete neurale ospite, con conseguente ripristino accelerato della funzione muscolare.
Il regista e co-senior autore dell’articolo, Anthony Atala, ha indicato che “i continui miglioramenti nelle tecniche e nei materiali di bioprinting 3D ci stanno aiutando ad avanzare nella nostra ricerca per produrre tessuti sostitutivi per i pazienti”.
Atala e il suo team di scienziati sono stati i primi al mondo a impiantare tessuti e organi cresciuti in laboratorio nei pazienti. A partire dal 1990 con la maggior parte della loro ricerca e l’impianto delle prime strutture alla fine di quel decennio, usando una stampante 3D per costruire un ponteggio sintetico di una vescica umana, che hanno poi rivestito con cellule prelevate dai loro pazienti. In effetti, WFIRM di Wake Forest è stato un pioniere nella bioprinting per la medicina rigenerativa negli ultimi decenni, coltivando tessuti e organi e sviluppando terapie cellulari curative per oltre 40 diverse aree del corpo, dai reni e trachea alla cartilagine e alla pelle , e con successo l’impianto di tessuti umani viventi e funzionali stampati in 3D negli animali .
Questa particolare linea di ricerca in corso presso la WFIRM è supportata e finanziata a livello federale attraverso l’ Istituto di medicina rigenerativa delle forze armate , che, a sua volta, è stato sostenuto dall’esercito americano , dalla marina americana , dal National Institutes of Health (NIH), dall’aeronautica statunitense , dai veterani Amministrazione , e in parte da una sovvenzione del Consorzio di impresa di tecnologia medica .
L’obiettivo del team è sviluppare terapie cliniche per il trattamento dei soldati feriti e per il beneficio della popolazione generale. I soldati rappresentano una sfida particolare, considerando che gli infortuni da combattimento sono piuttosto gravi e che il trattamento delle ferite è molto richiesto, soprattutto con così tante aree di conflitto da tenere d’occhio nel 2020, mentre la Siria, l’Afghanistan e l’Iraq sono ben note, alcune altre nuove potrebbe sorgere, e questo significa più soldati feriti.
Nel documento, il team di ricercatori ha concluso che “la componente delle cellule neurali può supportare la sopravvivenza cellulare a lungo termine, migliorare la differenziazione miogenica e indurre la formazione di giunzioni neuromuscolari (NMJ) sulle fibre muscolari nei costrutti dei muscoli scheletrici bioprintati in vitro, risultando nel rapido ripristino della funzione muscolare nel modello di difetto muscolare TA del ratto. ” Considerano che con ulteriori progressi, la struttura del muscolo scheletrico bioingegnerizzata pre-formata NMJ può essere un approccio terapeutico efficace per la riparazione di estese lesioni da difetto del muscolo scheletrico con capacità di innervazione accelerata.
“Questi costrutti sono stati in grado di facilitare la rapida distribuzione dei nervi e sono maturati nel tessuto muscolare organizzato che ha ripristinato il normale peso muscolare e la funzione in un modello preclinico di lesione da difetti muscolari”, ha considerato Sang Jin Lee, co-senior autore e professore associato di WFIRM.
Il WFIRM sta avanzando verso una nuova ricerca sulla bioprinting che potrebbe affrontare molti dei problemi che sono comuni oggi, come gravi lesioni muscolari, che è tra le afflizioni più comuni nelle pratiche ortopediche in tutto il mondo. I ricercatori stanno lottando contro l’incapacità di ottenere un recupero funzionale utilizzando la tecnologia di bioprinting che è stata sviluppata in loco presso i propri laboratori per scoprire nuovi modi di trattare i pazienti. Con una sperimentazione di successo in vivo, speriamo che le fasi successive avvicinino il team alla creazione di una soluzione per i molti pazienti che soffrono della condizione.
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