Un “mini midollo spinale” coltivato in laboratorio ha appena dimostrato che le futuristiche “molecole danzanti” potrebbero aiutare a curare la paralisi.
I ricercatori della Northwestern University hanno creato il modello di lesione del midollo spinale umano più sofisticato mai creato in laboratorio.
Nel nuovo studio, gli scienziati hanno lavorato con organoidi di midollo spinale umano coltivati a partire da cellule staminali. Queste versioni in miniatura e semplificate del midollo spinale hanno permesso al team di ricreare diverse forme di trauma spinale e di valutare un promettente trattamento rigenerativo.
Per la prima volta, gli organoidi riproducevano fedelmente le principali caratteristiche delle lesioni del midollo spinale osservate negli esseri umani, tra cui morte cellulare diffusa, infiammazione e cicatrici gliali. Le cicatrici gliali sono spessi ammassi di tessuto cicatriziale che si formano dopo una lesione e creano barriere sia fisiche che chimiche che bloccano la riparazione dei nervi.
Quando gli organoidi danneggiati sono stati trattati con “molecole danzanti“ – una terapia che in precedenza aveva invertito la paralisi e riparato i tessuti in studi sugli animali – i risultati sono stati sorprendenti. Il tessuto danneggiato ha prodotto una significativa crescita di neuriti, il che significa che le lunghe estensioni dei neuroni hanno ricominciato a crescere. Il tessuto cicatriziale è stato notevolmente ridotto. I risultati rafforzano le speranze che il trattamento, che ha recentemente ricevuto la designazione di farmaco orfano dalla Food and Drug Administration (FDA) statunitense, possa migliorare il recupero delle persone che convivono con lesioni del midollo spinale.
Lo studio è stato pubblicato è l’11 febbraio sulla rivista Nature Biomedical Engineering.
“Uno degli aspetti più entusiasmanti degli organoidi è che possiamo utilizzarli per testare nuove terapie nei tessuti umani”, ha affermato Samuel I. Stupp della Northwestern University, autore senior dello studio e inventore delle “molecole danzanti”. “In assenza di una sperimentazione clinica, è l’unico modo per raggiungere questo obiettivo. Abbiamo deciso di sviluppare due diversi modelli di lesione in un organoide del midollo spinale umano e di testare la nostra terapia per verificare se i risultati assomigliassero a quelli precedentemente osservati nel modello animale. Dopo aver applicato la nostra terapia, la cicatrice gliale si è attenuata significativamente fino a diventare appena percettibile, e abbiamo osservato la crescita dei neuriti, simile alla rigenerazione assonale osservata negli animali. Questa è la conferma che la nostra terapia ha buone probabilità di funzionare negli esseri umani“.
Stupp è un leader nel campo dei materiali autoassemblanti e della medicina rigenerativa. È professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Chimica, Medicina e Ingegneria Biomedica presso la Northwestern University, con incarichi presso la McCormick School of Engineering, il Weinberg College of Arts and Sciences e la Feinberg School of Medicine. Dirige inoltre il Center for Regenerative Nanomedicine (CRN). Il primo autore dello studio è Nozomu Takata, Professore associato di medicina presso la Feinberg University e membro del CRN.
Come gli organoidi coltivati in laboratorio imitano le lesioni del midollo spinale
Gli organoidi vengono creati a partire da cellule staminali pluripotenti indotte e coltivati in laboratorio. Pur non essendo organi completi, replicano molte caratteristiche strutturali e funzionali chiave dei tessuti umani reali. Poiché assomigliano a organi reali a livello cellulare, gli organoidi sono strumenti potenti per studiare le malattie, esplorarne lo sviluppo e testare potenziali trattamenti. Offrono inoltre un’alternativa più rapida ed economica alla sperimentazione su animali o esseri umani.
Sebbene altri team abbiano sviluppato organoidi del midollo spinale per studiare la biologia di base, questo modello rappresenta un importante passo avanti per la ricerca sulle lesioni. Gli organoidi misuravano diversi millimetri di diametro ed erano sufficientemente maturi da resistere e modellare i danni traumatici.
Per diversi mesi, i ricercatori hanno coltivato con cura le cellule staminali in modo che gli organoidi sviluppassero neuroni e astrociti, entrambi tipi cellulari essenziali nel midollo spinale. Per la prima volta, il team ha anche incorporato la microglia, cellule immunitarie del sistema nervoso centrale, per simulare al meglio la risposta infiammatoria che segue un trauma al midollo spinale.
“È una specie di pseudo-organo”, ha detto Stupp. “Siamo stati i primi a introdurre la microglia in un organoide del midollo spinale umano, quindi è stato un risultato enorme. Significa che il nostro organoide contiene tutte le sostanze chimiche che il sistema immunitario residente produce in risposta a una lesione. Questo lo rende un modello più realistico e accurato di lesione del midollo spinale”.
Cosa sono le molecole danzanti?
Dopo aver costruito un organoide maturo, il team si è dedicato alla sperimentazione di lesioni e trattamenti. Introdotta per la prima volta nel 2021, la terapia delle molecole danzanti è progettata per sfruttare il movimento molecolare per riparare i tessuti e potenzialmente invertire la paralisi dopo una lesione traumatica del midollo spinale. Fa parte di una piattaforma più ampia nota come peptidi terapeutici supramolecolari (STP), che utilizzano grandi aggregati di 100.000 o più molecole per attivare i recettori cellulari e stimolare i processi di riparazione naturali. (Il concetto di terapie supramolecolari è utilizzato anche negli attuali farmaci GLP-1 per la perdita di peso e il diabete, un’area che il laboratorio di Stupp ha studiato quasi 15 anni fa).
Il trattamento viene somministrato tramite iniezione liquida. Una volta penetrato nel tessuto, forma rapidamente una rete di nanofibre che ricorda la matrice extracellulare del midollo spinale. Regolando la velocità di movimento delle molecole all’interno di questa rete, i ricercatori hanno migliorato l’efficacia dell’interazione della terapia con i recettori cellulari in continuo cambiamento.
“Dato che le cellule stesse e i loro recettori sono in continuo movimento, si può immaginare che le molecole che si muovono più rapidamente incontrino questi recettori più spesso“, ha affermato Stupp nel 2021. “Se le molecole sono lente e non così ‘sociali’, potrebbero non entrare mai in contatto con le cellule“.
Precedenti esperimenti sugli animali hanno dimostrato che una singola iniezione somministrata 24 ore dopo una lesione grave ha permesso ai topi di camminare di nuovo entro quattro settimane. Le formulazioni molecolari a più rapida azione hanno prodotto effetti terapeutici più forti rispetto a quelle a più lenta, suggerendo che un aumento del movimento migliora la segnalazione cellulare e la riparazione complessiva.
Test della terapia rigenerativa sui tessuti danneggiati
Per simulare un trauma al midollo spinale, i ricercatori hanno creato due tipi comuni di lesione negli organoidi. Alcuni sono stati accuratamente tagliati con un bisturi per simulare una lacerazione simile a una ferita chirurgica. Altri sono stati sottoposti a lesioni da contusione compressiva, simili a quelle che potrebbero verificarsi durante un grave incidente automobilistico o una caduta.
Entrambi i tipi di trauma innescano la morte cellulare e la formazione di cicatrici gliali, segni distintivi di una vera lesione del midollo spinale.
“Siamo riusciti a distinguere tra gli astrociti che fanno parte del tessuto normale e gli astrociti della cicatrice gliale, che sono grandi e molto densamente raggruppati“, ha detto Stupp. “Abbiamo anche rilevato la produzione di proteoglicani condroitin solfato, molecole del sistema nervoso che rispondono a lesioni e malattie”.
Applicando la terapia delle molecole danzanti agli organoidi danneggiati, si è formata un’impalcatura di supporto all’interno del tessuto. Il trattamento ha ridotto l’infiammazione, ridotto le cicatrici gliali, stimolato l’estensione dei neuriti e incoraggiato i neuroni a crescere secondo schemi organizzati.
I neuriti includono gli assoni, che spesso vengono recisi durante le lesioni del midollo spinale. Quando gli assoni vengono recisi, la comunicazione tra i neuroni viene interrotta, causando paralisi e perdita di sensibilità al di sotto del sito della lesione. Incoraggiare la ricrescita dei neuriti potrebbe ricollegare queste vie neurali e potenzialmente ripristinare la funzionalità persa.
Il ruolo del movimento molecolare
Stupp ritiene che la chiave del successo della terapia risieda nel suo movimento sopramolecolare, ovvero nella capacità delle molecole di muoversi rapidamente e persino di staccarsi brevemente dalla rete di nanofibre. Esperimenti su organoidi sani hanno rafforzato questa idea.
“Prima ancora di sviluppare il modello di lesione, abbiamo testato la terapia su un organoide sano”, ha detto. “Le molecole danzanti hanno prodotto tutti questi lunghi neuriti sulla superficie dell’organoide, ma quando abbiamo usato molecole con meno movimento o senza movimento, non abbiamo visto nulla. Questa differenza era molto evidente.“
Guardando al futuro, il team prevede di progettare organoidi ancora più avanzati per perfezionare i propri modelli di lesione. L’obiettivo è anche quello di creare versioni che replichino lesioni croniche di lunga durata, che in genere comportano tessuto cicatriziale più spesso e persistente. In futuro, questi midolli spinali coltivati in laboratorio potrebbero persino supportare la medicina personalizzata generando tessuto impiantabile dalle cellule staminali del paziente stesso, riducendo il rischio di rigetto immunitario.
Riferimento: Nature Biomedical Engineering
Lo studio è stato finanziato dal Center for Regenerative Nanomedicine della Northwestern University e ha beneficiato di una donazione della famiglia John Potocsnak per la ricerca sulle lesioni del midollo spinale.