Non c'è stato un gold standard per il modo in cui i chirurghi ortopedici della colonna vertebrale promuovono la nuova crescita ossea nei pazienti, ma ora gli scienziati della Northwestern University hanno progettato un nanomateriale bioattivo così efficace nello stimolare la rigenerazione ossea che potrebbe diventare il metodo preferito dai chirurghi.

Mentre studiato in un modello animale di fusione spinale, il metodo per promuovere la nuova crescita ossea potrebbe tradursi facilmente nell'uomo, dicono i ricercatori, dove una popolazione anziana ma attiva negli Stati Uniti riceve sempre più questo intervento chirurgico per trattare il dolore dovuto alla degenerazione del disco, traumi e altri problemi alla schiena. Molte altre procedure potrebbero trarre vantaggio dal nanomateriale, che vanno dalla riparazione del trauma osseo al trattamento del cancro osseo alla crescita ossea per gli impianti dentali.

"La medicina rigenerativa può migliorare la qualità della vita offrendo approcci meno invasivi e più efficaci per promuovere la crescita ossea, " ha detto Samuel I. Stupp, che ha sviluppato il nuovo nanomateriale. "Il nostro metodo è molto flessibile e potrebbe essere adattato per la rigenerazione di altri tessuti, compreso il muscolo, tendini e cartilagine."

Stupp è direttore del Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology della Northwestern e professore di scienze e ingegneria dei materiali del Board of Trustees, Chimica, Medicina e Ingegneria Biomedica.

Per lo studio interdisciplinare, Stupp ha collaborato con il dottor Wellington K. Hsu, professore associato di chirurgia ortopedica, ed Erin L.K. Hsu, professore assistente di ricerca di chirurgia ortopedica, entrambi alla Northwestern University Feinberg School of Medicine. Il team di marito e moglie sta lavorando per migliorare i metodi di rigenerazione ossea impiegati clinicamente.

Le molecole di zucchero sulla superficie del nanomateriale forniscono il suo potere rigenerativo. I ricercatori hanno studiato in vivo l'effetto del nanomateriale "rivestito di zucchero" sull'attività di un fattore di crescita utilizzato clinicamente, chiamata proteina morfogenetica ossea 2 (BMP-2). Hanno scoperto che la quantità di proteine ​​necessaria per una fusione spinale di successo è stata ridotta a un livello senza precedenti:era necessaria 100 volte meno di BMP-2. Questa è un'ottima notizia, poiché è noto che il fattore di crescita provoca effetti collaterali pericolosi se utilizzato nelle quantità necessarie per rigenerare ossa di alta qualità, ed è anche costoso.

I risultati sono stati pubblicati oggi (19 giugno) sulla rivista Nanotecnologia della natura .

Il nanomateriale biodegradabile di Stupp funziona come una matrice extracellulare artificiale, che imita ciò con cui le cellule del corpo di solito interagiscono nell'ambiente circostante. BMP-2 attiva alcuni tipi di cellule staminali e segnala loro di diventare cellule ossee. La matrice nordoccidentale, che consiste di minuscoli filamenti su nanoscala, lega la proteina per disegno molecolare nel modo in cui gli zuccheri naturali la legano nei nostri corpi e poi la rilascia lentamente quando necessario, invece che in una prima raffica, che possono contribuire agli effetti collaterali.

Per creare le nanostrutture, il team di ricerca guidato da Stupp ha sintetizzato un tipo specifico di zucchero che ricorda da vicino quelli usati dalla natura per attivare il BMP-2 quando la segnalazione cellulare è necessaria per la crescita ossea. Le molecole di zucchero flessibili in rapido movimento visualizzate sulla superficie delle nanostrutture "afferrano" la proteina in un punto specifico che è esattamente lo stesso utilizzato nei sistemi biologici quando è il momento di distribuire il segnale. Ciò potenzia i segnali di crescita ossea a un livello sorprendente che supera anche i polimeri di zucchero presenti in natura nel nostro corpo.

In natura, i polimeri dello zucchero sono noti come polisaccaridi solfati, che hanno strutture supercomplesse impossibili da sintetizzare al momento con tecniche chimiche. È noto che centinaia di proteine ​​nei sistemi biologici hanno domini specifici per legare questi polimeri di zucchero al fine di attivare i segnali. Tali proteine ​​includono quelle coinvolte nella crescita dei vasi sanguigni, reclutamento cellulare e proliferazione cellulare, tutti molto importanti biologicamente nella rigenerazione dei tessuti. Perciò, l'approccio del team di Stupp potrebbe essere esteso ad altri obiettivi rigenerativi.

La fusione spinale è una procedura chirurgica comune che unisce le vertebre adiacenti utilizzando un innesto osseo e fattori di crescita per promuovere la nuova crescita ossea, che stabilizza la colonna vertebrale. L'osso utilizzato nell'innesto può provenire dal bacino del paziente, una procedura invasiva, o da una banca ossea.

"C'è un reale bisogno di un farmaco clinicamente efficace, modo sicuro ed economico per formare l'osso, " ha detto Wellington Hsu, un chirurgo della colonna vertebrale. "Il successo di questo nanomateriale mi rende entusiasta del fatto che ogni chirurgo della colonna vertebrale possa un giorno sottoscrivere questo metodo per l'innesto osseo. In questo momento, se interroghi un pubblico di chirurghi della colonna vertebrale, otterrai da 15 a 20 risposte diverse su cosa usano per l'innesto osseo. Dobbiamo standardizzare la scelta e migliorare i risultati per i pazienti".

Nella parte in vivo dello studio, il nanomateriale è stato consegnato alla colonna vertebrale utilizzando una spugna di collagene. Questo è il modo in cui i chirurghi attualmente somministrano clinicamente BMP-2 per promuovere la crescita ossea.

Il team di ricerca della Northwestern intende chiedere l'approvazione della Food and Drug Administration per avviare una sperimentazione clinica che studi il nanomateriale per la rigenerazione ossea nell'uomo.

"Noi chirurghi siamo alla ricerca di portatori ottimali per fattori di crescita e cellule, " Wellington Hsu ha detto. "Con i suoi numerosi siti di legame, i lunghi filamenti di questo nuovo nanomateriale hanno più successo dei vettori esistenti nel rilasciare il fattore di crescita quando il corpo è pronto. Il tempismo è fondamentale per il successo nella rigenerazione ossea".

Nel nuovo nanomateriale, gli zuccheri sono visualizzati in un'impalcatura costruita da molecole autoassemblanti note come anfifili peptidici, sviluppato per la prima volta da Stupp 15 anni fa. Queste molecole sintetiche sono state essenziali nel suo lavoro sulla medicina rigenerativa.

"Ci siamo concentrati sulla rigenerazione ossea per dimostrare la potenza della nanostruttura dello zucchero per fornire un grande impulso di segnalazione, " ha detto Stupp. "Con piccole modifiche al design, il metodo potrebbe essere utilizzato con altri fattori di crescita per la rigenerazione di tutti i tipi di tessuti. Un giorno potremmo essere in grado di eliminare completamente l'uso dei fattori di crescita prodotti dalla biotecnologia ricombinante e potenziare invece quelli naturali nei nostri corpi".

Il documento è intitolato "Nanostrutture di glicopeptidi solfati per l'attivazione di proteine ​​multipotenti".