Scaffolds polimerici stampati in 3D e cellule staminali del midollo osseo per riprodurre fedelmente il menisco del ginocchio e sostituire quello lesionato. Potrebbe essere presto possibile grazie ad uno studio condotto da Zheng-Zheng Zhang della Peking University Third Hospital di Beijing in Cina e dal suo team di ricercatori, pubblicato sulla rivista Science Translational Medicine.
Attraverso l’applicazione di stimoli biochimici e biomeccanici a cellule mesenchimali seminate in vitro in uno scaffold biomimetico, i ricercatori cinesi hanno ottenuto un tessuto ingegnerizzato che riproduce la struttura e la funzionalità del menisco. E che potrebbe essere usato nel prossimo futuro per riparare le lesioni o per sostituire il menisco danneggiato del ginocchio nell’uomo.
La struttura eterogenea del menisco del ginocchio
Il menisco del ginocchio è una struttura fibro-cartilaginea complessa ed eterogenea che funge da ammortizzatore e protegge il ginocchio dall’attrito nel movimento articolare. Lo strato interno e quello esterno del menisco del ginocchio differiscono per composizione e proprietà meccaniche. Lo strato più esterno è costituito da cellule di natura fibroblastica all’interno di una matrice extracellulare costituita principalmente da collagene di tipo I (COL-1, 80% in peso) e conferisce resistenza alla trazione. Lo strato più interno è costituito da cellule dette condrociti in una matrice extracellulare contenente collagene di tipo II (CL-2) e glicosamminoglicani (GAGs) e contribuisce alla resistenza alla compressione.
L’ingegneria tissutale per la rigenerazione della cartilagine del ginocchio
Fondamentale nella meccanica del ginocchio, il menisco può subire danni a causa di trami e patologie croniche e, da una certa età in poi, va incontro ad un naturale processo di usura. La cartilagine però ha una capacità limitata di autorigenerazione visto che non è irrorata da vasi sanguigni. Proprio per questa ragione il menisco del ginocchio è un candidato attraente per approcci di ingegneria tissutale. Una delle tecniche rigenerative più efficaci si basa sull’utilizzo di cellule mesenchimali autologhe: cellule staminali adulte, immature e indifferenziate, estratte da un tessuto dello stesso individuo, che una volta iniettate nell’articolazione interessata si differenziano in cellule con le caratteristiche del tessuto stesso e stimolano le cellule già presenti all’autorigenerazione. Le cellule mesenchimali vengono coltivate in vitro in matrici tridimensionali (scaffolds) fatte di materiali biocompatibili (ad esempio, collagene e idrossiapatite). Gli scaffolds devono avere una struttura tale da promuovere la neo-formazione di tessuto cartilagineo nel rispetto delle caratteristiche morfologiche e biochimiche della zona anatomica in cui vengono impiantati.
Le tecniche di ingegneria tissutale disponibili per la ricostruzione del menisco producono tessuti omogenei che non mantengono la corretta funzione in vivo e a lungo termine portano a degenerazione articolare. Ad oggi la realizzazione di un menisco del ginocchio ingegnerizzato con una struttura eterogenea “a gradiente” e perfettamente funzionale è ancora un’importante sfida da superare.
Ricostruire il menisco, lo studio
Per affrontare questa sfida Zhang e i suoi collaboratori hanno coltivato cellule mesenchimali del midollo osseo in scaffolds polimerici, ottenuti mediante stampa 3D. L’obiettivo dello studio era quello di esplorare l’effetto sinergico di una stimolazione biochimica e biomeccanica sulla differenziazione delle cellule mesenchimali per poter ricostruire la struttura eterogenea del menisco.
Durante la crescita, le cellule negli scaffolds sono state sottoposte a stimoli biochimici (trattamento con il fattore di crescita del tessuto connettivo CTGF e il fattore di crescita trasformante beta TGF-β3) per quattro settimane e biomeccanici (forze meccaniche di compressione e tensione) per due settimane. Le proprietà meccaniche e biologiche sono state poi valutate in vitro per 4 settimane e in vivo per 24 settimane. L’efficacia della rigenerazione in vitro è stata investigata attraverso la valutazione dell’espressione dei geni per GAGs, COL-1 e COL-2 e l’analisi della differenziazione delle cellule mesenchimali. In particolare, la doppia stimolazione portava ad un contenuto più alto di COL-1 nello stato più esterno e un contenuto più alto di COL-2 e GAGs nello strato più interno, come accade nel menisco nativo.
L’efficacia della rigenerazione del menisco in vivo è stata valutate su modelli animali. A tale scopo i ricercatori hanno impiantato il menisco ingegnerizzato nell’articolazione del ginocchio di conigli. Sono stati usati 108 conigli bianchi Nuova Zelanda dell’età di sei mesi, divisi in tre gruppi di 36 conigli: nel primo gruppo è stato impiantato nel ginocchio destro anteriore il tessuto eterogeneo ottenuto con la doppia stimolazione; nel secondo gruppo, usato come controllo, sono stati impianti scaffolds con cellule non sottoposte a stimolazione; infine nel terzo sono stati impiantati menischi nativi. A determinati intervalli di tempo (6, 12 e 24 settimane) 12 conigli di ciascun gruppo venivano sottoposti a meniscectomia totale del ginocchio destro. I menischi prelevati venivano poi sottoposti ad analisi istologiche e biomeccaniche.
Dopo 24 settimane, il menisco impiantato nei conigli del primo gruppo era funzionale con un miglioramento della resistenza alla trazione ed una struttura eterogenea simile a quella del menisco nativo. Il doppio stimolo (biochimico e biomeccanico) induceva le cellule staminali a differenziarsi in regioni separate. Lo strato esterno aveva una matrice fibrosa con prevalenza di COL-1, mentre lo strato più interno presentava una matrice cartilaginea che conteneva COL-2 e glicosamminoglicani. Il menisco del gruppo di controllo mostrava, invece, una struttura fibrosa amorfa. Inoltre, il tessuto impiantato nel primo gruppo minimizzava la degenerazione della cartilagine delle articolazioni degli animali con un effetto di condroprotezione a lungo termine. Infine le proprietà meccaniche di trazione e compressione erano migliori nel primo gruppo rispetto al gruppo controllo.
Prospettive future
Le lesioni del menisco sono un fattore che predispone all’artrosi e più di un milione e mezzo di persone in Stati Uniti ed Europa è stata sottoposta a meniscectomia totale o parziale. I risultati di questo studio hanno importanti implicazioni cliniche per la salute del ginocchio.
Questa ricerca – concludono gli autori- contribuisce a guidare gli sforzi nell’ingegneria dei tessuti. La semplicità e l’efficienza di questa strategia può avere profonde implicazioni nel campo dell’ingegneria dei tessuti fibrocartilaginei, e in particolare nella rigenerazione della giunzione osteo-tendinea, dei dischi intervertebrali della colonna vertebrale e dell’articolazione temporo-mandibolare.
Riferimenti: Science Translational Medicine
Condivido questi studi perché la mia esperienza si basa sull’uso terapeutico della cartilagine di squalo per alleviare l’infiammazione e la carenza di cartilagine articolare. Gli effetti, a volte addirittura spettacolari, ottenuti mi hanno fatto pensare che la cartilagine degli squali (animali con scheletro al 90% cartilagine ed esistenti da circa 400 milioni di anni) abbia delle caratteristiche tali da adattarsi a quella di organismi superiori e contribuisca alla rigenerazione della cartilagine di quest’ultimo, come se si trattasse di cellule staminali di cartilagine.