Hydrogel: nuova frontiera per le lesioni cerebrali

La rigenerazione neuronale è estremamente difficile da raggiungere; infatti, a differenza di altre tipologie di tessuto, come la pelle, il tessuto nervoso danneggiato non si ricostruisce. Nelle lesioni cerebrali traumatiche, la perdita del volume del parenchima cerebrale ne ostacola la rigenerazione. In questo studio, si è eseguita la creazione del tessuto nervoso utilizzando hydrogel caricati elettricamente composti da monomeri cationici e anionici in un rapporto 1:1; questi fungono da struttura di supporto efficace per l’attaccamento di cellule staminali neuronali (NSC). Si è impiantato questo nuovo hydrogel in vivo su topi con difetti cerebrali in un modello di danno traumatico.

Idea di partenza dello studio

Lo scopo dello studio è l’istituzione di un metodo efficace per la rigenerazione del tessuto cerebrale e per il trattamento di malattie con difetti parenchimali cerebrali. L’ictus è una delle principali cause di morte e disabilità, con 13 milioni di nuovi casi all’anno; inoltre, il cancro al cervello è uno dei tumori maligni più diagnosticati, ha circa 14 milioni di nuovi casi all’anno in tutto il mondo. Entrambe le malattie sono pericolose per la vita e portano a enormi costi sociali ed economici; per tale ragione si è studiata la rigenerazione del tessuto cerebrale. Tuttavia, attualmente non esiste un metodo efficace ed è urgente sviluppare una strategia terapeutica ottimale.

Situazione attuale sulla bioingegneria del tessuto nervoso

Gli studi ingegneristici sul tessuto nervoso possono risolvere molte problematiche grazie all’impiego dei biomateriali, utilizzati per la creazione di nuove strutture; ciò può compensare la perdita di volume, consentendo alle cellule di migrare nell’area danneggiata e ricostruire l’intera struttura tissutale. Tra i vari biomateriali, si è dimostrato che gli hydrogel regolano la differenziazione cellulare di cellule staminali mesenchimali (MSC), cellule iPS21 e varie cellule tumorali. Gli hydrogel sono polimeri idrofili comunemente usati nell’ingegneria dei tessuti e possono contenere fino al 90% di acqua. Questi hanno molteplici vantaggi biologici, tra cui: un alto contenuto di ossigeno, permeabilità ai nutrienti e un’adeguata tensione interfacciale.

Lo studio in breve

Recentemente si sono utilizzate delle sostanze naturali per gli hydrogel, con varie limitazioni, come il rilascio di componenti di agenti patogeni derivati dai tessuti. Per superare questi limiti, i polimeri sintetici sono diventati ampiamente utilizzati negli hydrogel. Si è scoperto che il tessuto nervoso danneggiato può essere ricostruito utilizzando polimeri e neuroni sintetici. In questo studio, per sviluppare un nuovo materiale hydrogel, si è partiti dall’analisi del rapporto tra la carica elettrica e il substrato nell’adesione cellulare; in seguito, si è scoperto che esiste un rapporto uguale di monomeri anionici e cationici adatto per: l’attaccamento, la crescita e la differenziazione dei NSC. Successivamente, la struttura porosa degli hydrogel si è generata dalla criogenizzazione per la coltura 3D delle cellule neurogliali.

Analisi dei risultati

Per generare un hydrogel ottimale per la ricostruzione del tessuto cerebrale, il team ha studiato la carica elettrica: si è scoperto quali sono le condizioni in cui le NSC possono attaccarsi e crescere in modo efficiente. Si sono sintetizzati gli hydrogel con 5 diverse cariche utilizzando diverse combinazioni di monomeri cationici e anionici con l’utilizzo di: cloruro di 3-acriloilamminopropil-trimetilammonio (APTMA), acido 2-acrilamido-2-metil propano solfonico e sale di sodio (NaMPS). Si sono utilizzate le seguenti cinque proporzioni: catione (C): anione (A) = 0:1, 1:5, 1:3, 1:1 e 3:1, che si sono designate rispettivamente gel: C0A1, C1A5, C1A3, C1A1 e C3A1. Tra questi 5 hydrogel, si è rilevato che gli NSC possono attaccarsi e proliferare in modo efficiente sul C1A1. Si è osservata un’adesione transitoria su C0A1 e C3A1, ma non si è osservata alcuna proliferazione o allungamento citoplasmatico su questi hydrogel. L’adesione dei NSC non si è minimamente osservata su C1A5 e C1A3.

Conclusioni e prospettive future della ricerca

Dopo 3 settimane, si è scoperto che le cellule immunitarie e neuronali del tessuto cerebrale circostante sono migrate nell’hydrogel impiantato ed i vasi sanguigni hanno iniziato a crescere al suo interno. Dopo 40 giorni, la maggior parte delle cellule è sopravvissuta, alcune di esse si sono differenziate in cellule degli astrociti neuronali e di mantenimento dei neuroni. Inoltre, alcune di queste nuove cellule sono migrate dall’hydrogel al tessuto cerebrale circostante, mostrando l’ottima interazione del materiale. L’hydrogel C1A1, dunque, ha promosso la formazione della rete vascolare derivata insieme all’infiltrazione di macrofagi e astrociti nel gel. Inoltre, il trapianto graduale di NSC marcati GFP ha sostenuto la differenziazione verso cellule gliali e neuronali. Pertanto, in futuro, questo metodo per la rigenerazione del tessuto nervoso potrebbe diventare un nuovo approccio per la ricostruzione terapeutica del tessuto dopo un danno.