Cos’è l’ingegnerizzazione dei tessuti?

L’ingegnerizzazione dei tessuti è un importante strumento per comprendere l’avanzamento di determinate condizioni mediche e la modalità in cui possono essere trattate. Le terapie basate sull’ingegnerizzazione dei tessuti sono state già approvate in Europa. Quindi, cos’è l’ingegnerizzazione dei tessuti?

Cos’è l’ingegnerizzazione dei tessuti?

L’ingegnerizzazione dei tessuti fa parte dell’ingegneria biomedica. L'ingegneria biomedica è una disciplina ampia, con principi di biologia e di ingegneria. Viene talvolta descritta come un approccio ingegneristico allo studio della biologia.

Nell'ambito dell'assistenza sanitaria, il contributo dei bioingegneri si esplica in aree quali la progettazione di dispositivi (ad esempio, prendendo in considerazione tutte le forze meccaniche che una protesi articolare dovrà sopportare), la fisioterapia (ad esempio, lo studio delle modalità con cui il peso influisce sulla guarigione di un osso rotto) e la somministrazione di farmaci (ad esempio, la capacità di capire la rapidità con cui il rivestimento di una compressa si rompe e la rapidità con cui inizierà ad avere effetti).

L’ingegnerizzazione dei tessuti si occupa di studiare le forze biologiche, fisiche e chimiche che intervengono nello sviluppo dei tessuti, nelle lesioni e nella guarigione delle ferite. Il fine dell'ingegnerizzazione dei tessuti è quello di ripristinare, mantenere, migliorare o sostituire i tessuti biologici. A questo scopo è necessario comprendere le condizioni di salute e come riportare i tessuti danneggiati a questo stato con un trattamento. In laboratorio, gli ingegneri dei tessuti sono chiamati a coltivare cellule che si comportano come le cellule sane coltivate nell'organismo (“tessuto nativo”).

I campioni di tessuto coltivati esternamente all'organismo con le tecniche di ingegnerizzazione dei tessuti sono spesso indicati come “costrutti di ingegnerizzazione di tessuti”.

Qual è la differenza tra ingegnerizzazione dei tessuti e medicina rigenerativa?

I termini “ingegnerizzazione dei tessuti” e “medicina rigenerativa” sono spesso utilizzati in maniera intercambiabile. Entrambi sono concentrati sulla riparazione, la manutenzione e il ripristino di tessuti biologici. La differenza principale risiede nel fatto che l’ingegnerizzazione dei tessuti si basa sui tessuti in crescita fuori dall’organismo. La medicina rigenerativa si concentra specificamente sulla modalità in cui queste tecniche di ingegnerizzazione dei tessuti possono essere utilizzati in ambito sanitario per riparare i tessuti all’interno dell’organismo.

Gran parte della ricerca nel campo dell'ingegnerizzazione dei tessuti si pone l'obiettivo a lungo termine di elaborare un costrutto che possa essere utilizzato a livello clinico. La ricerca sull'ingegnerizzazione dei tessuti costituisce un primo passo necessario per le terapie di medicina rigenerativa.

Quali sono i principi di ingegnerizzazione dei tessuti?

I tre elementi che definiscono l’ingegnerizzazione dei tessuti sono l’utilizzo di:

• Cellule staminali
• Un'intelaiatura tridimensionale biocompatibile
• Molecole bioattive

Le cellule staminali sono cellule in grado di svilupparsi (differenziarsi) in più di un tipo cellulare. Gli esempi più noti riguardano le cellule staminali embrionali, in grado di trasformarsi in qualsiasi tipo di cellula dell'organismo. Le cellule staminali degli adulti possono differenziarsi in diversi tipi di cellule, in base alla loro origine all'interno dell'organismo. Ad esempio, le cellule staminali di derivazione adiposa, situate nel tessuto adiposo, possono differenziarsi in ossa, cartilagine o grasso, oltre che in altri tipi di tessuto. Il percorso di una cellula dipende da molti fattori, tra cui le forze meccaniche (come il movimento muscolare nell'embrione in via di sviluppo) o l'esposizione a sostanze chimiche (come le molecole di segnalazione nel flusso sanguigno). È possibile leggere i diversi tipi di cellule staminali in modo più dettagliato qui.

Le impalcature sono strutture tridimensionali che supportano la crescita di cellule staminali nel tipo di cellule o tessuto desiderato. Le cellule in laboratorio sono spesso fatte crescere su superfici piane o fatte sospendere all’interno di un liquiodo. Un’impalcatura in 3D corrisponde maggiormente all'ambiente 3D dell'organismo.

È importante che il materiale utilizzato in un’impalcatura sia biocompatibile – che non danneggi il tessuto con cui entra in contatto. Ciò implica che il materiale non deve essere tossico, bensì anche che non deve scomporsi nel tempo in piccole parti che potrebbero irritare il tessuto. I materiali utilizzati nelle impalcature per l'ingegneristica dei tessuti comprendono il collagene o alcune catene proteiche (proteoglicani).

Le impalcature per l’ingegnerizzazione dei tessuti devono inoltre essere porose. Le cellule staminali possono essere rivestite (seminate) esclusivamente all'esterno dell'impalcatura, per cui è importante che l'impalcatura sia sufficientemente porosa da consentire alle cellule di spostarsi all'interno verso il nucleo durante la crescita. Se il costrutto contiene cellule solo all'esterno e nessuna al centro, esso non assumerà il comportamento di un tessuto normale.

Le molecole bioattive sono sostanze in grado di avere un effetto sui tessuti viventi. Nell'ingegneristica dei tessuti, ciò può indicare molecole di segnalazione o fattori di crescita in grado di influenzare il differenziamento di una cellula staminale. Queste molecole bioattive possono essere contenute nella miscela di nutrienti utilizzata per la crescita delle cellule in laboratorio. Possono anche essere incorporate nell'impalcatura 3D durante la fase di produzione.

I ricercatori indagano anche sulle modalità di utilizzo di molecole bioattive per rendere più efficaci gli impianti di ingegneristica dei tessuti. Ad esempio, un'impalcatura può rilasciare un farmaco in grado di ridurre l'infiammazione o di aiutare le cellule impiantate a radicarsi nel sito di impianto.

In che modo l’ingegneristica dei tessuti può essere utilizzata nella ricerca per sviluppare la terapia cellulare e genica?

Le tecniche di ingegneristica dei tessuti sono utilizzate per far crescere "modelli" di tessuto in laboratorio. Tali modelli trovano numerosi impieghi nella ricerca.

• Studio dello sviluppo normale dei tessuti. L’ingegneristica dei tessuti può permettere ai ricercatori di osservare lo sviluppo di alcuni tipi di tessuto a partire dalle cellule staminali. Attraverso il controllo dell'ambiente, è possibile osservare come determinati cambiamenti influiscono sul tessuto in via di sviluppo. Ciò consente di rispondere a domande molto specifiche. Nel condurre uno studio su animali o esseri umani, esistono sempre fattori sconosciuti che non possono essere controllati. In un modello di ingegnerizzazione dei tessuti, i ricercatori sono in grado di controllare i cambiamenti dell'ambiente e di misurare con precisione i risultati.
• Lo studio delle malattie a livello dei tessuti. Gli scienziati sono in grado di adattare l'ambiente di laboratorio affinché assomigli a una particolare condizione medica (Per esempio, per comprendere in che modo l'artrite influisce sullo sviluppo e sulla riparazione della cartilagine, gli scienziati possono inserire molecole infiammatorie nel mix di nutrienti). Per studiare una patologia a livello tissutale, è possibile raccogliere cellule di pazienti affetti dalla patologia e confrontare lo sviluppo dei loro tessuti con cellule di pazienti sani.
• Test sulle terapie. I costrutti di ingegnerizzazione dei tessuti possono essere utilizzati per testare i farmaci al fine di confermare che siano sicuri per un tipo specifio di tessuto oppure per vedere l’effetto che hanno su un modello di malattia.

Usi terapeutici attuali e potenziali

L’ingegnerizzazione dei tessuti è usata nelle terapie approvate:

• Spherox (CO.DON.AG, approvato nell’UE nel 2017), utilizzato per trattare difetti di cartilagine nelle articolazioni delle ginocchia. Questa terapia comporta il prelievo di cellule dal paziente e l'isolamento di cellule in grado di trasformarsi in cartilagine. Queste vengono coltivate in laboratorio in ammassi sferici di cellule (sferoidi). Tali sferoidi vengono impiantati nei difetti della cartilagine, ove si attaccano alla cartilagine stessa. Accanto a un programma di fisioterapia, questi impianti sono in grado di colmare il difetto nel tempo, riducendo il dolore e migliorando la mobilità.

I ricercatori indagano anche sulla possibilità di utilizzare il  tessuto ingegnerizzato per innesti o impianti di tessuto, tra cui:

• Ingegnerizzazione della cute per il trattamento di gravi ustioni
• Ingegnerizzazione delle valvole cardiache per le persone affette da malattie delle valvole cardiache
• Ingegnerizzazione del tessuto nervoso per riparare nervi danneggiati o recisi
• Ingegnerizzazione del tessuto dei vasi sanguigni
• Ingegnerizzazione del tessuto osseo per sostituire l'osso perso a causa di lesioni o infezioni
• Ingegnerizzazione del tessuto intestinale per il trattamento della sindrome dell'intestino breve

Questo elenco non è assolutamente completo. La ricerca sull'ingegnerizzazione dei tessuti riguarda il trattamento di condizioni congenite, tessuti malati e lesioni.

Quali sono le problematiche derivanti dall'utilizzo dell'ingegnerizzazione dei tessuti per lo sviluppo di terapie?

• Raccolta di cellule idonee. Considerando che i tessuti costituiscono un mix di diversi tipi di cellule, i ricercatori necessitano di sviluppare metodi per raccogliere e isolare il giusto tipo di cellule indifferenziate dai pazienti o dai donatori, in modo da evitare che si sviluppi il giusto tipo di tessuto.

• Comprendere quali fattori influenzano il differenziamento cellulare. Per le cellule, l'organismo umano rappresenta un ambiente molto più complesso rispetto al laboratorio, nel quale è possibile controllare tutte le sostanze chimiche, i nutrienti e le forze fisiche. Ciò implica che un tessuto coltivato in laboratorio sarà esposto a un ambiente diverso quando viene impiantato nel corpo. Gli scienziati hanno bisogno di capire l'ambiente dell’organismo per evitare che l'impianto si differenzi nel tipo di cellula sbagliato (per esempio, osso invece di cartilagine).

• Ricreare le caratteristiche native di un tessuto. La possibilità di far crescere un particolare tipo di tessuto non è necessariamente sufficiente; alcuni tessuti agiscono in modo diverso in regioni diverse del corpo. Ad esempio, le proprietà meccaniche della cartilagine sulla superficie di un'articolazione differiscono da quelle della cartilagine immediatamente accanto all'osso. Pertanto, un impianto per un difetto cartilagineo profondo dovrebbe avere la stessa portata della cartilagine nativa.

• Integrazione delle cellule presso il sito di impianto. Per garantire il fissaggio completo dell'impianto, il tessuto ingegnerizzato e il tessuto nativo hanno bisogno di "crescere" l'uno nell'altro e di legarsi l'uno all'altro. Nel caso in cui un impianto ingegnerizzato non si integri nel corpo, il sito potrebbe non guarire correttamente.

• Valutazione degli effetti a lungo termine delle cellule impiantate. Come per qualsiasi nuova tecnologia, i ricercatori hanno bisogno di monitorare i costrutti impiantati di ingegnerizzazione dei tessuti a lungo termine per garantire che siano sicuri e prevedibili.

Per saperne di più

Ingegnerizzazione dei tessuti e medicina rigenerativa (National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, National Institutes of Health) (in inglese)