Fratture ossee-Immagine Credit Public Domain-
Il DNA può aiutare a stimolare la guarigione ossea in modo localizzato e mirato, ad esempio dopo una fratture ossee complicate o dopo una grave perdita di tessuto a seguito di un intervento chirurgico. Lo hanno dimostrato i ricercatori della Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), dell’Università di Lipsia, dell’Università di Aveiro (Portogallo) e del Fraunhofer Institute for Microstructure of Materials and Systems IMWS di Halle.
Hanno sviluppato un nuovo processo in cui rivestono i materiali dell’impianto con un biomateriale attivato dal gene che induce le cellule staminali a produrre tessuto osseo. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Healthcare Materials.
Le ossa sono un affascinante esempio della capacità del corpo di rigenerarsi. Sono in grado di riacquistare la piena funzionalità, anche dopo una frattura, grazie alla loro capacità di formare nuovo tessuto resiliente nel sito della frattura. “Tuttavia, quando si tratta di fratture complicate o di una grave perdita di tessuto, anche il potere di autoguarigione di un osso è insufficiente”, spiega il Professor Thomas Groth, capo del gruppo di ricerca sui materiali biomedici presso l’Istituto di farmacia della MLU.
“In tali casi, sono necessari impianti per stabilizzare l’osso, sostituire parti delle articolazioni o colmare difetti più grandi con materiali degradabili”. Il successo di tali impianti dipende in gran parte da quanto bene sono incorporati nell’osso. Negli ultimi anni sono stati compiuti maggiori sforzi per supportare questo processo rivestendo gli impianti con materiali bioattivi per attivare le cellule ossee e le cellule staminali mesenchimali.
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Le cellule staminali mesenchimali sono in grado di generare diversi tipi di tessuto, tuttavia attivarle per rigenerare specificamente l’osso può essere particolarmente impegnativo. In tali casi, una matrice extracellulare gioca un ruolo cruciale. “Il tessuto tra le cellule ossee è costituito da collagene e condroitin solfato, tra le altre cose“, spiega Groth.“La matrice può essere replicata artificialmente e applicata alla superficie degli impianti per renderli bioattivi“.
Ciò garantisce che gli impianti siano incorporati meglio e abbiano meno probabilità di essere rifiutati dal corpo. Farmaci e attivatori possono anche essere aggiunti alla matrice extracellulare artificiale per stimolare la crescita ossea. Uno di questi attivatori è la proteina BMP-2, che viene già utilizzata nelle fusioni spinali o per il trattamento di fratture complicate che non guariscono. Tuttavia, gli studi hanno dimostrato che l’elevata dose di BMP-2 necessaria può portare alla formazione incontrollata di tessuto osseo nel muscolo circostante e ad altri effetti collaterali indesiderati.
I ricercatori propongono quindi una procedura che stimola le cellule staminali in modo più mirato e provoca un numero significativamente inferiore di effetti collaterali. Una cosa su cui si stanno concentrando è migliorare il design della matrice extracellulare. Usano una speciale tecnologia strato per strato per applicare il biomateriale all’impianto. Ciò consente loro di controllarne la composizione, la struttura e le proprietà a livello nanometrico. “È un processo sofisticato che abbiamo perfezionato in collaborazione con Fraunhofer IMWS”, spiega Thomas Groth.
Questo design a livello nano è necessario per funzionalizzare il biomateriale e per questo i ricercatori si sono appoggiati all’esperienza del collega Dr. Christian Wölk di Lipsia. Invece di incorporare grandi quantità di BMP-2 direttamente nel biofilm e rischiare un rilascio incontrollato, impacchettano frammenti di DNA in nanoparticelle lipidiche che fungono da contenitori per il trasporto. Solo dopo l’ inserimento dell’impianto il DNA migra nelle cellule del tessuto osseo e le stimola a produrre BMP-2. Questo, a sua volta, attiva le cellule staminali che formano l’osso.
“Imitare la matrice extracellulare come un rivestimento superficiale a film sottile e funzionalizzarla con nanoparticelle è una pietra miliare nella ricerca sui materiali farmaceutici“, spiega Thomas Groth. “Il DNA può essere rilasciato in modo mirato e limita la stimolazione della crescita dei tessuti rispetto al tempo e alla posizione, senza causare effetti collaterali indesiderati“.
Secondo Groth, il metodo è anche fondamentalmente adatto per il trasporto di mRNA e quindi amplia le possibilità della medicina rigenerativa, non solo nel campo della formazione ossea e della guarigione delle fratture ossee, ma anche per altre applicazioni terapeutiche.
