Come ti faccio crescere nuovo tessuto osseo

MIT ingegneri sviluppano ponteggi tessuti rivestiti che aiutano stimolare una nuova crescita ossea

Nella foto è una micrografia elettronica a scansione di un membrana porosa, poli nanostrutturati (acido lattico-co-glicolico) (PLGA) membrana. La membrana è rivestita con un rivestimento multistrato polielettrolita (PEM) che rilascia fattori di crescita per promuovere la riparazione ossea. 

Ingegneri chimici del MIT hanno sviluppato ponteggi di tessuti rivestiti che aiutano il corpo a fare crescere nuovo tessuto osseo per riparare lesioni o difetti congeniti.

Ingegneri chimici del MIT hanno messo a punto una nuova impalcatura di tessuto impiantabile rivestito con fattori di crescita ossea che vengono rilasciati lentamente nell'arco di alcune settimane. Quando viene applicato a lesioni ossee o  a difetti congeniti, questa impalcatura rivestita induce il corpo a formare rapidamente nuovo tessuto osseo che sembra e si comporta proprio come il tessuto originale.

Questo tipo di ponteggio rivestito potrebbe offrire un notevole miglioramento rispetto l'attuale standard per il trattamento di lesioni ossee, che implica il trapianto di midollo da un'altra parte del corpo del paziente - un processo doloroso che non fornisce sempre abbastanza osso. I pazienti con lesioni ossee gravi, come i soldati feriti in battaglia; persone che soffrono di difetti ossei congeniti, come i disturbi cranio-maxillo-facciali; e pazienti che necessitano di aumento dell'osso prima all'inserimento di impianti dentali possono beneficiare della nuova impalcatura del tessuto.

"E 'stato un problema veramente difficile, e abbiamo cercato di fornire un modo per affrontare questo problema,- dice Nisarg Shah, autore principale dello studio, che appare negli Atti della National Academy of Sciences.

Paula Hammond, David H. Koch in Ingegneria e un membro di Koch Institute del MIT for Integrative Cancer Research e del Dipartimento di Ingegneria Chimica, sono gli autori principali. Altri autori sono M. Nasim Hyder e Mohiuddin Quadir, studente laureato Noémie-Manuelle Dorval Courchesne, Howard Seeherman di Restituo, Myron Nevins della Harvard School of Dental Medicine, e Myron Spector di Brigham and Women Hospital.

Stimolare la crescita delle ossa

Due dei più importanti fattori di crescita ossea sono un fattore di crescita derivati dalle piastrine (PDGF) e  una proteina morfogenetica 2 (BMP-2). Come parte del sistema naturale cicatrizzante, PDGF è uno dei primi fattori rilasciati immediatamente dopo una lesione ossea, come una frattura. Dopo la visualizzazione PDGF, altri fattori, tra cui BMP-2, contribuiscono a creare l'ambiente giusto per la rigenerazione ossea reclutando cellule in grado di produrre l'osso e la formazione di una struttura di supporto, tra cui i vasi sanguigni.

Gli sforzi per trattare lesioni ossee con questi fattori di crescita sono stati ostacolati dalla incapacità di fornirli efficacemente e in modo controllato. Quando grandi quantità di fattori di crescita sono consegnati troppo rapidamente, vengono rapidamente eliminati dal sito di trattamento - così hanno ridotto impatto sulla riparazione dei tessuti, e possono anche indurre effetti collaterali indesiderati.

"Il fattore di crescita deve essere rilasciato molto lentamente e con nanogrammi o microgrammi come quantità, non in quantità di milligrammi , -dice Hammond- meccanismo necessario per reclutare cellule staminali adulte native che abbiamo nel nostro midollo osseoche vanno al sito di lesione e generano osso intorno alla lesione o alla carenza congenita, e inoltre generano un sistema vascolare che si affianchi a questa rigenerazione."

E’ un processo che richiede tempo, quindi i fattori di crescita debbono essere rilasciati lentamente nell'arco di diversi giorni o settimane. Per questo obiettivo, il team del MIT ha creato una impalcatura molto sottile,porosa  come un foglio rivestito, con strati di PDGF e BMP. Utilizzando una tecnica di assemblaggio chiamata layer-by-layer ,  il foglio viene rivestito con circa 40 strati di BMP-2; e inoltre vi sono altri 40 strati di PDGF. Questo ha permesso al PDGF di essere rilasciato più velocemente, con un più sostenuto rilascio anche di  BMP-2, mimando gli aspetti di una guarigione naturale.

"E'un grande vantaggio per l'ingegneria dei tessuti delle ossa-dice Nicholas Kotov, professore di ingegneria chimica all'Università del Michigan- dove il rilascio delle proteine ​​di segnalazione deve essere lento e programmato. Il foglio scaffold è circa 0,1 millimetri di spessore; una volta che vengono applicati i rivestimenti del fattore di crescita , i ponteggi possono essere tagliati dal foglio on demand, e nelle dimensioni adeguate per l'impianto in una lesione ossea o in un difetto.

Riparazione efficace

I ricercatori hanno testato ratti con un difetto del cranio abbastanza grande - 8 millimetri di diametro - che non poteva guarire da solo. Dopo che l’hanno impiantato, i fattori di crescita sono stati rilasciati a velocità diverse. PDGF, rilasciato durante i primi giorni dopo l'impianto, aiutò ad avviare la guarigione e a mobilitare diverse cellule precursori, al sito della ferita. Queste cellule sono responsabili per la formazione di nuovo tessuto, tra cui i vasi sanguigni, strutture vascolari di supporto, e l'osso.

BMP, rilasciato più lentamente, venne indotto ad alcune di queste cellule immature per diventare osteoblasti, che producono osso. Quando entrambi i fattori di crescita sono stati usati insieme, queste cellule hanno generato uno strato di osso. Due settimane dopo l'intervento, -dicono i ricercatori- era indistinguibile da osso naturale nel suo aspetto e nelle proprietà meccaniche.

"Questa combinazione ci permette non solo di aver accelerato la proliferazione prima, ma anche di facilitare la produzione di tessuto vascolare, che prevede un percorso sia per le cellule staminali e le cellule osteoblasti precursori e gli altri componenti a fare il loro lavoro. Si finisce -dice Hammond -con un sistema uniforme".

Un altro vantaggio di questo approccio è che l'impalcatura è biodegradabile e si rompe all'interno del corpo in poche settimane. Il materiale scaffold,  fatto di un polimero chiamato PLGA, è ampiamente utilizzato nel trattamento medico e può essere regolato a disintegrarsi ad una velocità specifica in modo che i ricercatori possono progettare che debba durare solo per il tempo necessario.

La squadra di Hammond ha depositato un brevetto sulla base di questo lavoro e ora si propone di iniziare a testare il sistema in animali più grandi, nella speranza di spostarlo eventualmente in studi clinici.