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Cornea artificiale stampata in 4D: nuova frontiera per i trapianti di cornea

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Scritto da Maria Grazia Varì

I ricercatori della Newcastle University (Gran Bretagna) hanno messo a punto un sistema biomeccanico corneale in grado di acquisire la forma desiderata modulando la propria matrice in maniera autonoma.

La cornea è la prima lente convessa e convergente che la luce incontra lungo il suo percorso verso il cervello e concorre alla messa a fuoco delle immagini sulla retina, rappresentando la superficie oculare con il maggior potere rifrattivo. E’ costituita, nella sua struttura, da 5 diversi strati sovrapposti e costituiti per il 90% da un fitto intreccio di fibrille di collagene disposte in lamelle immerse in una matrice glicoproteica. Lo stroma corneale è privo di vasi sanguigni e linfatici, caratteristica che, insieme al preciso allineamento del collagene al suo interno, contribuisce alla trasparenza della cornea. Tuttavia, anche a causa di questa sua particolare composizione, soffre di limitate capacità autoriparative e, nel caso in cui trasparenza e curvatura venissero compromesse, a causa di traumi esterni o fattori genetici, l’unica possibilità di trattamento è la sua sostituzione. Si stima che ad oggi, la cornea, sia tra i tessuti umani maggiormente trapiantati (in Italia si eseguono circa 5-6mila interventi l’anno) e, nonostante ciò, solo 1 su 70 persone riceve il trapianto, semplicemente perché non ci sono abbastanza donatori corneali.

In figura sono rappresentati gli strati della cornea: epitelio corneale (funzione di protezione dell’occhio), strato di Bowman (funzione di strato elastico tra epitelio e stroma), stroma (occupa il 90% dello spessore della cornea con fibre di collagene che garantisce la trasparenza), membrana di Descemet (funzione simile allo strato di Bowman) e l’endotelio (funzione di filtro posteriore e di idratazione di tutti gli strati)

Il problema della cornea 3D

Già da diversi anni si sperimentavano diverse soluzioni per cercare di migliorare l’attività contrattile di cellule stromali incorporate all’interno di Scaffold di collagene 3D. Si tratta di una soluzione di collagene neutralizzata, composta, in diverse percentuali, da collagene di tipo I di coda di ratto, una coltura cellulare sintetica e idrossido di Sodio. Anche se la cornea artificiale era fatta di collagene e cheratociti, come quella naturale, il collagene in quest’ultima è strutturato in modo estremamente preciso, così da assicurare sia una perfetta trasparenza che un’adeguata rigidità, per resistere alle continue pressioni a cui la cornea è sottoposta. Per mantenere queste caratteristiche è indispensabile una perfetta interazione tra i cheratociti dello stroma e le cellule dell’epitelio della cornea, che fino a poco tempo fa era stato difficile riprodurre nei surrogati artificiali

Gli stroma fatti con collagene in laboratorio si sono rivelati troppo soffici e poco duraturi. Non è tanto una questione di come si realizzi la cornea, se con una stampante o un altro metodo, ma del materiale usato che, al momento, non è all’altezza di quello prodotto per via naturale.


Ciò era quanto affermava Graziella  Pellegrini nel Maggio del 2018, professoressa di Biologia applicata all’università di Modena-Reggio Emilia e coordinatrice della terapia cellulare del Centro di Medicina Rigenerativa dell’ateneo, dove si lavora per ricostruire l’epitelio corneale da staminali da 20 anni.

Perchè 4D

Di norma, una stampante tridimensionale sfrutta un modello 3D disegnato al computer per sviluppare una serie di strati in sezione trasversale, che vengono poi stampati l’uno sopra l’altro per generare l’oggetto fisico. In particolare, una stampante 3D permette di costruire, grazie a differenti tecnologie, oggetti in resina inizialmente in fase liquida (tecnica streolitografica), o materiali ridotti in polvere (tecnica di sinterizzazione laser selettiva) che si induriscono quando colpiti da fasci di luce intensa o da laser. Come già riportato nel precedente articolo sul Bioprinting in situ per la guarigione di ferite a tutto spessore , le prospettive della stampa 3D nel futuro biomedico sono innumerevoli, avendo questa il grande pregio di essere adattabile a diverse realtà terapeutiche. In questo caso l’idea è stata quella di progettare oggetti 3D che, una volta stampati, fossero in grado di assumere nuove forme in fase di post produzione, sotto l’influenza di stimoli esterni o interni. La capacità del materiale di evolvere la sua struttura nel tempo fa sì che la tecnica venga definita 4D. È importante sottolineare che il cambiamento deve essere programmato a priori e non dev’essere un rimodellamento che avviene naturalmente nel tempo.

Lo studio

Attraverso l’utilizzo di molecole anfifiliche (anfipatiche), gli scienziati britannici sono  riusciti a creare un idrogel di collagene combinato con un lipopeptide comprendente RGDS  (Motivo peptidico Gly-Asp-Ser) in modo tale da fornire un substrato idoneo a far aderire  le cellule stromali corneali umane, le quali venivano isolate da tessuto corneale umano cadaverico sano e mantenute vitali grazie all’aggiunta di siero bovino fetale (FBS) per diversi giorni. Grazie a questo nuovo sistema di ingegneria tissutale, le cellule stromali possono auto-curvarsi attraverso la precisa distribuzione spaziale della loro ”attività bioattivante”. In particolare, è stato utilizzato uno specifico peptide anfifilo adesivo per programmare la traiettoria della contrazione cellulare in regioni ben definite con lo scopo di ricreare ciò che accade durante la normale morfogenesi dei tessuti che acquisiscono fisiologicamente la forma di cupola.

Il team del Prof. Che J. Connon, il quale ha guidato la ricerca, ha quindi creato una struttura composta da 2 cerchi concentrici: il cerchio interno, costituito da un gel a tre componenti (collagene, cellule stromali corneali incapsulate e peptidi anfifili PA) è stato combinato con un cerchio esterno costituito da un gel a due componenti (collagene e cellule stromali corneali). Quando attivato con un siero contenente fattori di crescita, l’anello esterno  (privo di PA) si contraeva maggiormente rispetto all’anello interno (con PA), determinando perciò la progressiva curvatura della struttura. In pratica la differenza di contrazione tra i due anelli concentrici ha causato la curvatura del gel. E’ stato osservato che la cornea si modella in una struttura a forma di cupola nel corso di 5 giorni.

La direzionalità della curvatura può dipendere dalla distribuzione stocastica delle cellule stromali; il sistema ha anche mostrato una buona integrità strutturale nel tempo e l’auto-curvatura non ha ridotto la trasparenza del gel. In sostanza, tutta la struttura auto-curvante ha mostrato una sorprendente somiglianza con il tessuto nativo.

Martina Miotto, ricercatrice post-dottorato all’Università di Newcastle e principale autrice dell’articolo, pubblicato su Advanced Functional Materials, descrive anche come i biomateriali in 4D potrebbero migliorare gli attuali sforzi di bioprinting 3D, perfezionando la stampa di strutture che possono essere auto-assemblate dopo il processo di fabbricazione. La biostampa 3D di interi organi con biomateriali 4D potrebbe infatti avere implicazioni che vanno oltre il trapianto di cornea, portando ad immaginare un futuro in cui, in un intervento, il chirurgo possa impiantare il sistema in una forma che potrebbe poi modificarsi ed adattarsi in modo funzionale all’interno del corpo. Ad esempio, il processo potrebbe essere utilizzato per creare stent che cambiano forma per mantenere aperti i vasi sanguigni ostruiti. Uno stent chiuso potrebbe facilmente essere immesso nel circolo sanguigno e fatto aprire dalla forza di contrazione delle cellule nel sito di lesione, evitando la necessità di un intervento chirurgico. La possibilità di utilizzare i PA per modulare la forma e la rigidità di biomateriali a base di collagene attraverso il controllo dell’attivazione cellulare è uno strumento particolarmente utile nell’ingegneria tessutale 4D e può quindi essere tradotto in un’ampia gamma di applicazioni che potrebbero evolvere verso l’emulazione di uno specifico tessuto nativo. Come tali, gli equivalenti tissutali 4D non solo hanno il potenziale per rivoluzionare l’ingegneria tissutale e rigenerativa, ma potrebbero anche contribuire ad una maggiore comprensione dei meccanismi sottostanti la morfogenesi organica.

Quello che abbiamo al momento è uno studio in vitro, il che significa che occorre fare più ricerche prima di ottenere costrutti utilizzabili nella pratica clinica. In questi casi è difficile dare una stima dei tempi necessari. Fare più ricerca implica ottenere più finanziamenti. In definitiva direi tra i 5 e i 10 anni.


Fonti e approfondimenti:
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Informazioni autore

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Maria Grazia Varì

Studentessa di Medicina e Chirurgia al V anno. Interessata al ramo della medicina preventiva nell'ambito del sistema immunitario ed alla diagnostica immunoenzimatica.

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