L'assistente professore Alireza Dolatshahi-Pirouz e colleghi hanno sviluppato un idrogel che combina materiali sintetici con cellule viventi, e può trasformare le cellule staminali in osso senza aggiungere fattori esterni di crescita o differenziazione.

Oltre il 50% delle donne e il 20% degli uomini di età superiore ai 50 anni sperimenteranno una frattura ossea durante la loro vita. Un modo per prevenire queste fratture, in particolare nelle parti più sensibili dello scheletro, è la somministrazione di cellule staminali per mezzo di un vettore iniettabile, che salvaguarda le cellule che entrano nel corpo. Utilizzando un approccio combinatorio sistematico, il team di ricerca ha testato 63 diversi idrogel nanoingegnerizzati, e ha introdotto un biomateriale ottimale che non solo protegge le cellule, ma facilitano anche la differenziazione spontanea delle cellule staminali in cellule ossee. Di solito fattori di crescita esterni e fattori di differenziazione, che può essere sia tossico per il corpo che anche piuttosto costoso, sono necessari per trasformare le cellule staminali nel tipo desiderato di cellule.

Sollievo per i pazienti con osteoporosi

L'osteoporosi fa sì che le ossa diventino fragili e fragili a causa della perdita di densità. I pazienti con questo tipo di malattia potrebbero in futuro beneficiare dell'idrogel nanorinforzato. Alireza Dolatshahi-Pirouz spiega:"L'osso è un tessuto dinamico che viene continuamente costruito, scomposto e ricostruito in un processo chiamato rimodellamento. Questo processo è controllato da molti fattori interagenti, e una volta che questo equilibrio è disturbato, sorge il problema. Quando invecchiamo un tale squilibrio è spesso causato da cambiamenti ormonali, ed è intensificato dal fatto che le nostre cellule diventano meno efficaci e meno numerose. L'idea alla base di questo nuovo sistema è di introdurre nel corpo un'impalcatura semisintetica che attiri le cellule staminali e fornisca i requisiti per trasformarle in cellule ossee, e con ciò, riportare l'equilibrio al ciclo di rimodellamento osseo."

Sono state testate 63 combinazioni

Per formare l'idrogel, il team ha acido ialuronico reticolato, che è un carboidrato presente nella maggior parte dei tessuti umani e ampiamente utilizzato nell'ingegneria dei tessuti. Questo idrogel di per sé ha alcuni inconvenienti, è fragile, ha scarse qualità portanti, e non può sopportare molta forza esterna o shock.

Per creare un materiale più forte e durevole, l'acido ialuronico è stato combinato con una rete di alginati e ulteriormente rinforzato con nanomateriali di argilla. Una tale combinazione porta a un idrogel molto più duro con la giusta rigidità, che è ancora abbastanza poroso da mantenere il trasporto dei nutrienti attraverso l'idrogel.

Le combinazioni più promettenti sono state testate in termini di capacità di formare nuove cellule ossee, e studi in vitro hanno mostrato che gli idrogel erano in grado di formare osso mineralizzato in un ambiente privo di fattori di differenziazione. I risultati hanno rivelato che quando questi idrogel carichi di cellule sono stati depositati in un difetto osseo modello in vitro, si è verificata la formazione di nuovo osso che ha aderito strettamente al difetto osseo. "Riteniamo che i materiali specifici di nanoargilla che utilizziamo forniscano la composizione minerale richiesta, e danno luogo alla trasformazione delle cellule staminali in tessuto osseo, " dice Alireza Dolatshahi-Pirouz.

Il prossimo passo

Gli studi clinici sono in corso con collaboratori in Spagna, dove gli idrogel privi di cellule vengono impiantati nel corpo. L'idea è che gli idrogel attireranno le cellule staminali nel corpo, e servire come piccole fabbriche che producono cellule staminali ringiovanite e più efficienti. "Potrebbe anche essere davvero interessante incorporare l'elettronica nell'idrogel per monitorare ciò che accade nel corpo, per esempio nel difetto osseo, e se le cose non stanno procedendo secondo i piani, potremmo stimolare l'idrogel attraverso l'interfaccia elettronica per attirare più cellule staminali o stimolare le cellule in modo più efficiente. Come tale, creeremmo un ciclo di feedback per monitorare i progressi e stimolare il sistema a seconda del feedback, Ha aggiunto l'assistente professore Alireza Dolatshahi-Pirouz.

I risultati sono stati pubblicati in Materiali e interfacce applicati ACS in un articolo intitolato "Screening combinato di idrogel rinforzati con nanoargilla:uno sguardo al "Santo Graal" nella terapia con cellule staminali ortopediche?"