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Modello di tessuto sintetico con vasi sanguigni

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Usare tessuti creati in laboratorio per guarire o sostituire organi danneggiati è una delle grandi visioni per il futuro della medicina. I materiali sintetici potrebbero essere adatti come impalcatura per i tessuti perché, a differenza dei tessuti naturali, rimangono stabili nell'organismo abbastanza a lungo da permettere al corpo di formare nuove strutture naturali.

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Un requisito fondamentale per i tessuti funzionali è che i vasi sanguigni devono essere in grado di crescere al loro interno e di connettersi al sistema vascolare dell'organismo, in modo che il tessuto sia adeguatamente fornito di ossigeno e nutrienti. Tuttavia, fino ad ora, non si sapeva quasi nulla su quali proprietà dei materiali promuovono la crescita dei vasi sanguigni.

Un team guidato dall'ingegnere biomedico Britta Trappmann del Max Planck Institute for Molecular Biomedicine di Münster, Germania, ha sviluppato un sistema di coltura cellulare in cui, per la prima volta, un sistema funzionale di vasi sanguigni è in grado di crescere all'interno di una struttura fatta di materiali sintetici.

Gli scienziati, lavorando in uno speciale idrogel con proprietà che possono cambiare in modo controllato, hanno prima fatto crescere un vaso sanguigno genitore da cellule umane di rivestimento dei vasi sanguigni. Hanno poi studiato come le proprietà materiali dell'ambiente cellulare artificiale hanno influenzato la formazione di ulteriori vasi sanguigni e li hanno messi a punto.

Riassumendo i risultati principali, Britta Trappmann sottolinea che "Il materiale sintetico del tessuto deve attivare alcune molecole di adesione nella membrana delle cellule dei vasi sanguigni, in modo che le cellule migrino in gruppi dal vaso madre e formino strutture tubolari; allo stesso tempo, il materiale deve essere sufficientemente degradabile perché le cellule formino vasi sanguigni di dimensioni adeguate". Per imitare l'ambiente naturale delle cellule, molte biomolecole e cellule aggiuntive dovrebbero essere integrate nel sistema modello in fasi successive - queste possono essere proteine di segnalazione, cellule immunitarie o cellule per stabilizzare i vasi sanguigni. "Inoltre, l'effetto di tutti questi fattori è collegato nei tessuti naturali e varia da organo a organo", spiega Britta Trappmann. Capire tutto questo, dice, è un obiettivo a lungo termine, ma, alla fine, la conoscenza potrebbe essere utilizzata per far crescere tessuti impiantabili.

In questo studio, i ricercatori hanno perfezionato un sistema modello che Britta Trappmann ha sviluppato con i colleghi durante il suo periodo di postdoc negli Stati Uniti presso le Università di Boston e Harvard. Consiste in un idrogel tridimensionale a base di zucchero in cui gli scienziati fanno due canali usando un ago da agopuntura. Ogni canale ha un diametro di 400 micrometri e corrono paralleli l'uno all'altro a una distanza di circa un millimetro. In un canale, gli scienziati seminano cellule endoteliali, che rivestono i vasi sanguigni nei tessuti naturali. "Le cellule endoteliali formano contatti tra loro e si attaccano al loro ambiente di tessuto sintetico nel canale, formando così un vaso sanguigno madre dopo circa un giorno", spiega Britta Trappmann. Quando questo è successo, gli scienziati forniscono un cocktail di fattori di crescita di molecole che guidano la crescita dei vasi sanguigni nei tessuti naturali attraverso il secondo canale, dove le cellule endoteliali migrano nell'idrogel.

Gli scienziati hanno poi voluto scoprire quali proprietà dell'idrogel determinano se le cellule endoteliali che migrano formano effettivamente nuovi vasi sanguigni. Hanno studiato il ruolo giocato dall'attivazione delle cosiddette molecole di adesione nella membrana cellulare attraverso le quali le cellule aderiscono al loro ambiente circostante. I ricercatori hanno prima arricchito la struttura del tessuto idrogel con quantità variabili di peptidi che attivano un certo tipo di molecola di adesione che si trova nella membrana delle cellule endoteliali chiamate integrine.

Più alta era la concentrazione di peptidi, più le cellule endoteliali migravano insieme attraverso l'idrogel. Al contrario, quando gli scienziati hanno bloccato la funzione delle integrine hanno osservato che le cellule migravano solo individualmente. In un ulteriore passo, il team ha studiato questo processo guardando due sottotipi specifici di integrina. "Abbiamo scoperto che l'integrina αvβ3 è la molecola di adesione cruciale che deve essere attivata perché le cellule endoteliali migrino in gruppo", dice Britta Trappmann. Gli scienziati hanno anche dimostrato che la migrazione collettiva delle cellule è, a sua volta, un prerequisito per le cellule endoteliali per formare cavità collegate al vaso madre nella fase successiva.

Anche se le cellule dei vasi sanguigni hanno poi formato strutture tubolari, queste erano più piccole di quelle dei tessuti naturali. Gli scienziati hanno ipotizzato che questo potrebbe essere perché l'idrogel sintetico è meno degradabile del tessuto naturale e ha pori più piccoli attraverso i quali le cellule possono scivolare. Poiché l'idrogel è costituito da catene di molecole di zucchero che sono reticolate da alcune molecole, la soluzione degli scienziati è stata quella di scambiare queste molecole reticolanti in modo che le cellule potessero scindere l'idrogel più rapidamente utilizzando gli enzimi che rilasciano. Questo ha permesso alle cellule di migrare più velocemente e di formare strutture vascolari più grandi.