Bioingegneri e chirurghi della Rice University e del Baylor College of Medicine hanno dimostrato che l’impianto mini-invasivo di cellule staminali schermate, ovvero inserite in mini-capsule create ed ingegnerizzate con un nuovo biomateriale a base di alginato, ne migliora la loro capacità di curare lesioni cardiache causate da infarto del miocardio.
La sfida della medicina riparativa: il trapianto di cellule staminali
Ogni 40 secondi, negli Stati Uniti, una persona viene colpita da infarto (National Center for Health Statistics): un’arteria che fornisce sangue al cuore si occlude e il tessuto muscolare cardiaco muore, localmente, per ipossia. Il cuore danneggiato inizia a pompare sangue in maniera meno efficiente, e il tessuto cicatriziale delle ferite cardiache può ulteriormente ridurre la funzione cardiaca.
Le cellule staminali mesenchimali (MSC), un tipo di cellule staminali adulte prodotte dal midollo sanguigno, possono promuovere la riparazione di vari tessuti, come ad esempio di quello cardiaco a seguito di un infarto del miocardio (Figura 1). Tuttavia, ad oggi, gli studi clinici sulle MSC si sono dimostrati essere una sfida costante nell’ambito dei trial clinici. Infatti sono poche le linee di MSC ad oggi approvate per uso umano, a causa del possibile rigetto del trapianto cellulare.
Le MSC da trapiantare sono spesso allogeniche, cioè non provengono dallo stesso destinatario. Vengono prelevate normalmente da un donatore sano esterno, quindi il sistema immunitario del paziente le percepisce come estranee e, in maniera molto rapida, inizia ad eliminarle.
L’idrogel innovativo: non viene riconosciuto come corpo estraneo dal sistema immunitario
La novità di questo studio multi-disciplinare è l’ingegnerizzazione dell’idrogel. Una volta impiantato, il sistema immunitario non lo riconosce come “corpo estraneo”, di conseguenza non avvia una reazione avversa contro di esso. Le MSC sono state caricate con successo all’interno dell’innovativo biomateriale schermante, per studiarne poi vitalità e biologia durante varie settimane di coltura. Inoltre le MSC incapsulate secernono gli stessi fattori riparativi che normalmente secernono in condizione fisiologica. Infine, poiché gli idrogel sono porosi, i fattori di guarigione della ferita si diffondono in maniera semplice, promuovendo la ristabilizzazione del tessuto cardiaco sano.
La produzione delle capsule
Le piccole sfere “core-shell” (i.e., nucleo-guscio) di idrogel (d = 1.5 mm) sono state create in laboratorio utilizzando alginato, sia per il nucleo che per il guscio della capsula, col fine ultimo di essere impiantate poi sul pericardio (i.e., la membrana che avvolge il cuore) di cavie. Il biomateriale selezionato, altamente biocompatibile, è stato progettato con la seguente formulazione:
- Nucleo della capsula – alginato SLG20, ottimizzato in uno studio recente dallo stesso team
- Guscio della capsula – alginato SLG100 + alginato TMTD (triazolo-tiomorfolina-biossido), una combinazione studiata e ottimizzata per ottenere un effetto immunomodulatore, al fine di non scatenare reazioni avverse una volta impiantato, e allo stesso tempo per permettere la diffusione di nutrienti e citochine in loco.
Le MSC di ratto sono state incapsulate nel nucleo a base di alginato SLG20 ad una concentrazione di 10 milioni MSC/ml. In altre parole, ogni capsula conteneva circa 40 000 MSC ciascuna (Figura 2).
La tecnologia di incapsulamento
La sintesi delle capsule rivestite è avvenuta tramite l’utilizzo di un nebulizzatore elettrostatico co-assiale a due fluidi, dotato di due pompe a siringa e un generatore di tensione. Le due siringhe, caricate rispettivamente con SLG20 + MSC e SLG100 + TMTD, sono state connesse ad un ago co-assiale e, una volta ottimizzati i flussi, è stato possibile creare le capsule di MSC. Il generatore di tensione, impostato a 5.6 kV, manteneva la dimensione delle capsule in un bagno di reticolazione a base di bario per circa 15 minuti (Figura 3).
L’impianto delle capsule schermanti
Prima di essere impiantate in vivo, le capsule sono state mantenute in coltura in vitro per 14 giorni, in modo da verificarne la vitalità cellulare e il rilascio di fattori di crescita come il VEGF (i.e., fattore di crescita dell’endotelio vascolare) a 24 ore dalla produzione delle stesse. I dati ottenuti sono poi stati comparati con il rilascio di VEGF in vivo 14 giorni dopo l’impianto.
Gli studi in vivo
Dopo aver indotto un infarto del miocardio ai roditori selezionati per lo studio, i ricercatori ne hanno individuato e aperto la sacca pericardica, esponendo il ventricolo sinistro all’altezza dell’arteria discendente anteriore. Le capsule schermanti con MSC e quelle di controllo (senza MSC) sono state depositate e quindi impiantate con pinze chirurgiche, tramite cateterismo cardiaco, sulla superficie epicardica di entrambi i ventricoli. Un altro gruppo di roditori ha subito invece un intervento chirurgico per MSC non schermate (i.e., senza capsula), tramite iniezione sul ventricolo sinistro infartuato.
Successivamente sono state scattate fotografie dei ventricoli su 2 settimane di follow-up, tramite toracotomia. L’espianto delle capsule è servito per la valutazione degli esami istologici del tessuto prelevato, così come per l’analisi dell’attività cellulare delle capsule. Le MSC all’interno delle capsule schermanti hanno dimostrato possedere un’elevata funzionalità a 14 giorni dall’impianto (Figura 4).
Analogamente sono state eseguite ecocardiografie a 4 giorni e a 4 settimane dall’impianto, paragonate con quelle realizzate 3 giorni prima dell’intervento, rivelando in tutti i soggetti infartuati abnormalità e ipochinesi nel movimento della parete ventricolare sinistra. La frazione di eiezione (FE) a 28 giorni dall’impianto sui roditori con infarto del miocardio, ovvero la frazione volumetrica del sangue espulsa dal ventricolo ad ogni contrazione, è risultata più efficace rispetto al controllo (capsule senza MSC). Infine le capsule schermanti hanno dimostrato un FE maggiore rispetto a quello ottenuto su roditori che hanno subito iniezione di MSC senza capsule (Figura 5).
Prospettive future
Puntando su ulteriori sviluppi, gli autori dello studio sono convinti che tale combinazione di biomateriali e cellule staminali potrebbe essere utile per fornire una concreta “terapia riparativa”, ai confini tra ingegneria tissutale e medicina rigenerativa, a pazienti umani affetti da lesioni cardiache derivanti da tessuto infartuato.
Queste innovative capsule cellulari possono essere somministrate ad un paziente umano direttamente sulla parete del miocardio, attraverso un sistema di cateteri. È possibile inserire il catetere in un’area esterna al cuore, per poi iniettare attraverso il catetere stesso le capsule utilizzando tecniche di immagine minimamente invasive.
Omid Veiseh, professore associato di Bioingegneria e accademico CPRIT (Cancer Prevention & Research Institute of Texas) della Rice University.
Fonti e approfondimenti
- Biomaterials Science – Immune-modulatory alginate protects mesenchymal stem cells for sustained delivery of reparative factors to ischemic myocardium
- Rice University News – Heart attack damage reduced by shielded stem cells
