Con l’obiettivo di realizzare un primo prototipo di muscolo artificiale, un team di ricercatori, con competenze in Chimica dei Materiali, Ottica, Fisiologia e Medicina Sperimentale, è riuscito a sviluppare dei materiali innovativi che, capaci di contrarsi se stimolati con la luce, sono stati implementati in modo da mimare la contrazione del muscolo cardiaco.
La ricerca ha dimostrato che questi materiali foto-responsivi sono potenzialmente in grado di aumentare la performance contrattile del cuore umano, poiché sono capaci di riprodurne le proprietà meccaniche.
Lo studio, condotto da ricercatori dell’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-INO), dell’Università di Firenze e del Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non Lineare, o LENS (European Laboratory for Non-linear Spectroscopy), è stato pubblicato sulla rivista Circulation Research nell’articolo Development of Light-Responsive Liquid Crystalline Elastomers to Assist Cardiac.

Il team ha progettato e sintetizzato una vera e propria “palette” di cristalli liquidi elastomerici o LCEs (Liquid Crystalline Elastomers) capaci di contrarsi sotto una stimolazione luminosa. I materiali messi a punto sono stati caratterizzati meccanicamente come se fossero dei muscoli, con l’obbiettivo di identificare quelli con le proprietà più simili a quelle del cuore. Nello specifico è stato realizzato un materiale biocompatibile in grado di cambiare la forma in modo reversibile in risposta a un dato stimolo: questo consente di produrre livelli di forza paragonabili o superiori a quelli del muscolo nativo, replicandone le proprietà cinematiche.
Fino ad ora, tuttavia, la loro applicazione in biologia era limitata dai tempi di risposta lenti e da una modesta possibilità di modulare i livelli di tensione durante l’attivazione.

I risultati ottenuti con questa ricerca sono però andati oltre le aspettative, e si rivelano estremamente importanti nel contesto di numerose patologie cardiache, sia genetiche che acquisite, come ad esempio nel caso di un infarto massivo o in presenza di una cardiomiopatia. In queste situazioni il tessuto cardiaco viene irreversibilmente danneggiato e il cuore riduce la sua funzione di pompa. Nei casi più gravi, le alternative a disposizione sono quelle chirurgiche che però sono estremamente limitate e invasive, ed il trapianto cardiaco rimane l’unica soluzione a lungo termine.
È stato dimostrato come questi materiali, lavorando in sostituzione o accoppiati al muscolo danneggiato, potrebbero invece essere impiegati in futuro per assistere efficacemente la funzione contrattile di un cuore malato.

Benché essi siano stati sviluppati per assistere la contrazione cardiaca, le applicazioni della ricerca sono molteplici e riguardano diversi settori della medicina. A esempio, nel caso di distrofie muscolari, malattie neurodegenerative e lesioni spinali, il loro utilizzo può essere esteso per assistere la funzione compromessa dei muscoli scheletrico e liscio.

Testo redatto su fonte CNR del 24 maggio 2019
Per approfondimenti: Development of Light-Responsive Liquid Crystalline Elastomers to Assist Cardiac Contraction, DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.118.313889 – Circulation Research | 12.04.2019
Image credit: Circulation Research (2019), DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.118.313889

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Un team di ricercatori dell’Università di Genova e dell’Istituto Mario Negri di Bergamo ha svolto un’importante ricerca riguardante un nuovo metodo di coltura cellulare che utilizza nuovi dispositivi 3D ingegnerizzati e costruiti con stampante 3D sulla base di un algoritmo matematico sviluppato per riprodurre accuratamente la struttura ramificata del tubulo renale. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista EBioMedicine nell’articolo “Engineered Kidney Tubules for Modeling Patient-Specific Diseases and Drug Discovery“.

Un team interdisciplinare di ricercatori ha sviluppato un nuovo metodo di coltura cellulare in tre dimensioni, che consente di ingegnerizzare tubuli renali umani da cellule di paziente in modo controllato, rapido e riproducibile per ottenere modelli di malattia e di sviluppo del rene e testare nuovi farmaci. Il valore introdotto nel campo dei modelli sperimentali in vitro consiste nell’essere riusciti per la prima volta a realizzare un metodo riproducibile per ricreare tubuli del dotto collettore umani con forme, dimensioni e composizioni predefinite e controllabili. Prima di questo lavoro, infatti, le tecniche di coltura rendevano possibile ottenere artificialmente tessuti renali ma presentavano importanti limiti dovuti all’incapacità di riprodurre fedelmente le complesse strutture del rene, ai lunghi tempi necessari per la crescita in vitro e alla bassa riproducibilità. Uno degli obiettivi primari della ricerca svolta è stato superare questi limiti e, attraverso un approccio interdisciplinare, si è riusciti a sviluppare un metodo altamente riproducibile e semplice, che riduce significativamente tempi e costi, per generare in modo controllato tubuli renali complessi partendo da singole cellule.

Con una stampante 3D sono stati realizzati nuovi dispositivi (scaffold) in materiale biocompatibile che, grazie ad un algoritmo ideato dai ricercatori dello studio, ricreano le geometrie frattali proprie dell’anatomia dei tubuli del dotto collettore dei reni. Usando questi scaffold 3D bio-mimetici, è stato possibile “direzionare” la formazione dei tessuti renali con caratteristiche molto simili all’organo in vivo. Il design e le proprietà dei materiali che hanno sviluppato hanno inoltre consentito ai ricercatori dell’Istituto Mario Negri di poter facilmente recuperare i tessuti generati in vitro, senza alterarne la struttura e la funzionalità, per successive sperimentazioni cliniche e farmacologiche.

I ricercatori dell’Istituto di Ricerche Farmacologiche Mario Negri sono stati in grado di crescere tubuli renali funzionali usando questi scaffold 3D bio-mimetici, riuscendo, per la prima volta nel contesto della nefrologia sperimentale, a ricreare in laboratorio modelli di malattia renale policistica partendo da cellule di paziente e testare nuovi potenziali farmaci per la sua cura, oltre a generare modelli in vitro utili per lo studio dello sviluppo dei reni. Questo lavoro apre la strada a una ricerca più avanzata nel campo delle nanotecnologie applicate alla medicina, un importante passo verso modelli più affidabili di malattia e sviluppo dei reni, e pone basi importanti per ingegnerizzare tessuti renali anatomicamente corretti in vitro.

Testo redatto su fonte Università di Genova del 4 luglio 2018
Per approfondimenti: Engineered Kidney Tubules for Modeling Patient-Specific Diseases and Drug Discovery, DOI: 10.1016/j.ebiom.2018.06.005 – EBioMedicine | 03.07.2018
Images credit: EBioMedicine (2018)/DOI: 10.1016/j.ebiom.2018.06.005

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MERIT (Innovative models for the repair and regeneration of tissue after orthopaedic trauma) (2011-2016) è un progetto sulle nuove frontiere della riabilitazione, e che propone modelli e tecniche innovativi di rigenerazione e riparazione dei tessuti in patologie che causano una forte perdita muscolare. Una vera e propria “fabbrica dei tessuti” che ha raggiunto risultati scientifici di rilievo, come la riproduzione in vitro di parte di tessuti muscolo-scheletrici, con promettenti applicazioni in Ingegneria Tissutale e Medicina Rigenerativa.

L’Ingegneria Tissutale rappresenta la nuova frontiera della biomedicina, in alternativa al trapianto, con l’obiettivo la riparazione o la sostituzione di tessuti e organi come muscoli, ossa e cartilagini, danneggiati da malattie, traumi o anche dall’invecchiamento, restituendone l’integrità e la funzionalità.
La Medicina Rigenerativa ha tra i suoi obiettivi la ricostruzione dei tessuti (tissue factory) e di organi irrimediabilmente danneggiati da malattie, traumi o dal “semplice” invecchiamento, offrendo una nuova filosofia di approccio alla malattia: la rigenerazione biologica da parte del corpo del paziente del tessuto/organo deteriorato, anziché la sua sostituzione con una protesi o un trapianto. Questo nuovissimo settore delle biotecnologie rivoluzionerà la biomedicina, aprendo la strada a nuove possibilità di cura e a una migliore qualità della vita dei pazienti.
La Medicina Rigenerativa è costituita da un insieme di attività interdisciplinari, sia di ricerca di che cliniche. Agli approcci tecnici convenzionali si affiancano tecniche innovative e rivoluzionarie. Per citarne solo alcune: la terapia genica, la riprogrammazione delle cellule e dei tessuti, l’utilizzo delle cellule staminali, l’Ingegneria Tissutale. La medicina riabilitativa può avere grandi benefici dalla ricerca sulla rigenerazione dei tessuti, soprattutto per le ricadute positive in ambito riabilitativo. In ortopedia, ad esempio, si utilizzano biomateriali, tessuti ingegnerizzati, fattori di crescita e cellule staminali adulte per riparare e rigenerare le strutture muscolo-scheletriche.

Nello specifico MERIT si propone di:
– studiare la crescita e del differenziamento in vitro e in vivo su appropriati sistemi murini di cellule muscolari inappropriate dette scaffolds;
– studiare il cell signalling attiviato in relazione al differenziamento e divisione cellulare in risposta alle diverse condizioni di crescita;
– valutare il comportamento delle cellule in relazione alla natura/caratteristiche degli scaffolds, della matrice extracellulare e di altri fattori endogeni ed esogeni (es. fattore di crescita insulinico, proteina della morfogenesi ossea).

L’obiettivo principale di queste analisi sarà quello di individuare le migliori condizioni fisico-chimiche e biologiche (in vivo e in vitro) nelle quali può essere suscitata una determinata risposta e comportamento da parte delle cellula in termini di divisione, proliferazione o espressione proteica, in modo da raggiungere le condizioni ottimali nei protocolli di terapia cellulare per la rigenerazione muscolare e ossea. Grazie a tecnologie sempre più innovative e ai progressi della ricerca nel campo dei biomateriali e in altre scienze correlate, questo settore apre la strada a nuove possibilità di cura e si candida a rivoluzionare la medicina. Inoltre, riproducendo in laboratorio il sistema in vivo, potrebbe fornire un contributo fondamentale anche alla scoperta di nuovi farmaci.

Le potenzialità della Medicina Rigenerativa nella riabilitazione sono immense e l’interesse che ne deriva e la ricaduta per la comunità sono tali da richiedere cooperazioni a livello internazionale tra aree di ricerca avanzata. Per tale motivo MERIT ha potuto contare su una partnership di altissimo livello internazionale che ha favorito la più ampia collaborazione fra esperti di discipline diverse e tecnologie di frontiera, e che annovera l’ENEA in qualità di responsabile scientifico, la Fondazione San Raffaele, che da anni si occupa di Ingegneria Tissutale, il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), a cui si deve il coordinamento del progetto, l’Università “La Sapienza” di Roma, l’Università di Pittsburgh (USA), la University Pierre et Marie Curie (Francia), l’University of Leipzig (Germania) e l’Indian Institute of Technology (India).

Testo redatto su fonte Fondazione San Raffaele ed ENEA del 28 gennaio 2016
Per approfondimenti su MERIT: www.i2bite.com
Native extracellular matrix: a new scaffolding platform for repair of damaged muscle, DOI: 10.3389/fphys.2014.00218 – Frontiers in Physiology | 16.06.2014
Image credit: National Geographic Channel/natgeotv.com

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La prestigiosa rivista americana PNAS – Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America ha pubblicato un lavoro (“Osteoinductivity of engineered cartilaginous templates devitalized by inducible apoptosis”) che apre una nuova frontiera sulla rigenerazione ossea e che annovera tra gli autori il Dott. Celeste Scotti dell’IRCCS (Istituto di Ricovero e Cura a Carattere Scientifico) Istituto Ortopedico Galeazzi (Gruppo Ospedaliero San Donato). Il Dott. Celeste Scotti, ricercatore ed ortopedico dell’Équipe Universitaria di Ortopedia Rigenerativa e Ricostruttiva (EUORR) dell’IRCCS Galeazzi, in collaborazione con il laboratorio di Tissue Engineering dell’Ospedale Universitario di Basilea diretto dal Prof. Ivan Martin, ha condotto una ricerca che ha portato allo sviluppo di un metodo, attualmente in sperimentazione, per riprodurre il processo di formazione dell’osso, così come avviene in fase embrionale (ossificazione endocondrale).

Il primo passaggio è costituito dal prelievo di cellule staminali dal midollo osseo di un soggetto adulto: tali cellule vengono processate, geneticamente modificate e utilizzate per generare un tessuto che viene poi devitalizzato – mediante l’utilizzo di un “gene suicida” – affinché si crei un tessuto che è possibile conservare e utilizzare anche in tempi diversi. Il tessuto così ottenuto può essere impiegato in sala operatoria, in quei pazienti che hanno un deficit osseo dovuto a malattie o traumi. Una volta impiantato è, infatti, in grado di dare vita al processo di rigenerazione grazie ai “segnali” in esso contenuti, che permettono di ripercorrere le fasi dello sviluppo embrionale e della naturale riparazione dell’osso.

Questo studio, che ha già dato ottimi risultati nelle prime sperimentazioni e che rappresenta una potenziale futura opportunità per i pazienti, consente di ricreare un osso funzionalmente uguale all’originale e di superare i limiti dei sostituti ossei utilizzati tradizionalmente. La scoperta apre all’impiego di questa metodica in diversi campi, dall’ortopedia all’odontoiatria, dalla neurochirurgia alla chirurgia maxillo-facciale.
“Lavoriamo a questo progetto dal 2008” sostiene il Dott. Celeste Scotti “questo studio, che segue ad altri due pubblicati a partire dal 2010 sempre su PNAS, rappresenta il primo passo verso l’applicazione di questa metodica innovativa. Mentre nei primi due lavori abbiamo validato il concetto di “Developmental Engineering” (rigenerare un tessuto secondo i processi dello sviluppo), in questo studio ci siamo concentrati su come rendere la metodica applicabile nella pratica clinica. Infatti è già in corso una collaborazione tra l’Ospedale Universitario di Basilea e l’Istituto Ortopedico Galeazzi per il perfezionamento della procedura. Possiamo ipotizzare una sperimentazione clinica in circa 4-5 anni.”

Testo redatto su fonte IRCCS Istituto Ortopedico Galeazzi del 2 dicembre 2014
Per approfondimenti: Osteoinductivity of engineered cartilaginous templates devitalized by inducible apoptosis, DOI: 10.1073/pnas.1411975111 – PNAS | 24.11.2014
Image credit: visualphotos.com

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Avrebbe inevitabilmente perso l’occhio destro a causa di una trauma che lo aveva già costretto a subire numerosi interventi, ma la vista di un bambino di appena 7 anni è stata salvata grazie a un trapianto di cornea artificiale eseguito, nel maggio scorso, dal Prof.Luca Buzzonetti, responsabile della Struttura Complessa di Oculistica dell’Ospedale Pediatrico Bambino Gesù di Palidoro e dalla sua equipe. Si tratta del primo intervento del genere effettuato presso il Bambino Gesù ed uno dei pochissimi realizzati finora al mondo su pazienti pediatrici. Per l’intervento sono stati consultati i chirurghi del Mass Eye & Ear Boston Keratoprosthesis Center, principale Centro internazionale per questo particolare tipo di chirurgia. Dopo una approfondita valutazione, considerata soddisfacente la risposta funzionale dell’occhio del bambino, il team di specialisti del Bambino Gesù ha deciso di procedere col trapianto. L’alternativa sarebbe stata un intervento totalmente demolitivo. Regolare il decorso post-operatorio del piccolo paziente che a distanza di pochi giorni ha potuto riprendere la sua vita normale.

La cornea artificiale è paragonabile ad una lente simile ad una cornea naturale composta in parte da tessuto sintetico, in parte da tessuto umano. La peculiarità di questo tipo di trapianto è che non può dare rigetto, mentre è elevato il rischio di infezione. Tale rischio è maggiore tra i bambini perché meno in grado degli adulti di tenere sempre pulito e protetto l’occhio al quale, dopo l’operazione, viene applicata una lente a contatto in modo permanente. Il particolare intervento, eseguito in tempi molto rapidi, è stato possibile grazie allo sforzo multidisciplinare dell’Ospedale Bambino Gesù: dalle procedure di acquisto della cornea artificiale negli Stati Uniti all’autorizzazione ministeriale all’uso della protesi in Italia, fino all’organizzazione della parte clinica e chirurgica.

Il Bambino Gesù è Centro di riferimento internazionale – ed il principale in Italia – per il trapianto di cornea in età pediatrica (ne vengono eseguiti circa 20 l’anno), potendo contare tra l’altro, unica struttura pediatrica al mondo, sul laser a femtosecondi ovvero sulla massima tecnologia attualmente utilizzabile in questo specifico settore, e per il trattamento di patologie complesse (in particolare il retinoblastoma e più in generale tutte le patologie oculari oncologiche) con strumentazioni e tecniche all’avanguardia.

Testo redatto su fonte Ospedale Pediatrico Bambino Gesù dell’1 luglio 2014
Image credit: Ospedale Pediatrico Bambino Gesù – IRCCS

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L’ultima versione di pancreas bionico per i malati di diabete di tipo tipo 1 è stata testata con successo, negli Stati Uniti, in due piccoli studi, su pazienti adulti e adolescenti. Il lavoro, condotto dai ricercatori della Boston University e del Massachusetts General Hospital, è stato presentato all’American Diabetes Association a San Francisco e pubblicato, contemporaneamente, sul New England Journal of Medicine in “Outpatient Glycemic Control with a Bionic Pancreas in Type 1 Diabetes“. Secondo i risultati dello studio il pancreas artificiale – un “organo” che in totale autonomia somministra insulina al bisogno – batte per efficacia e precisione i sistemi manuali di somministrazione insulinica oggi in uso.

Il diabete giovanile è una malattia autoimmune: una parte del pancreas viene danneggiata dal sistema immunitario cosicché il paziente non può più produrre insulina e il suo organismo diviene incapace di regolare la glicemia. Oggi ci si affida a misuratori di glicemia e a sistemi per somministrarsi l’insulina al bisogno. Ma tali sistemi manuali, specie quando il paziente è un bambino piccolo che va quindi gestito da un adulto, non sono sempre precisi e il rischio è incorrere in ipoglicemie e iperglicemie che alla lunga possono dare complicanze, ad esempio oculari o renali.

Esperti della Boston University guidati da Edward Damiano hanno testato su due gruppi di pazienti, adulti e giovanissimi, un “pancreas bionico” che fa tutto da solo: dotato di un minuscolo sensore che monitora la glicemia h24, come fa il pancreas vero, al bisogno rilascia insulina o l’ormone antagonista, il glucagone. Questo “organo artificiale” è molto più preciso dei sistemi manuali oggi in uso e, applicato in individui che conducevano la loro vita di tutti i giorni – quindi senza restrizioni di alcun tipo nelle attività quotidiane – dimostra una precisione oltre ogni aspettativa. Nei bambini il pancreas bionico è in grado di dimezzare gli episodi di ipoglicemia. Inoltre l’organo può anche essere connesso in remoto col proprio diabetologo per segnalare eventuali problemi.

Per approfondimenti: Outpatient Glycemic Control with a Bionic Pancreas in Type 1 Diabetes, DOI: 10.1056/NEJMoa1314474 – New England Journal of Medicine | 15.06.2014

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Un cuore artificiale completamente autonomo, è stato trapiantato il 18 dicembre 2013 per la prima volta su un paziente affetto da insufficienza cardiaca terminale da un’equipe medica dell’ospedale europeo Georges Pompidou di Parigi. Il cuore artificiale è stato concepito dall’azienda francese Carmat, dopo lunghi anni di studi e ricerche. «Questo primo trapianto si è svolto in modo soddisfacente (…). Il paziente è attualmente sotto sorveglianza, in rianimazione, vigile e dialoga con i famigliari», spiega la società, qualificando questa operazione come una prima mondiale.

A fine settembre, le autorità sanitarie francesi avevano dato il proprio via libera al trapianto, che potrebbe aprire nuove importanti prospettive per i malati di cuore. «Ci rallegriamo di questo primo trapianto, ma sarebbe chiaramente prematuro trarne delle conclusioni perché si tratta di un prima operazione, con un decorso post-chirurgico ancora molto breve», commenta il direttore generale di Carmat, Marcello Conviti, nel comunicato pubblicato alla chiusura delle borse, visto che la società è quotata. Fondata dal chirurgo Alain Carpentier, l’azienda è mondialmente riconosciuta per aver inventato le valvole cardiache Carpentier-Edwards.

Il nuovo cuore artificiale, su cui l’azienda lavora da vent’anni, è una bioprotesi interamente impiantabile, che si adatta allo sforzo e dovrebbe ridare al paziente la propria autonomia. Simile al cuore umano, l’apparecchio – «solido» e con «una funzionalità e una durata esemplari» – è formato da quattro valvole e due ventricoli cardiaci. «Riproduce totalmente un normale cuore umano con due ventricoli che mobilitano il sangue come farebbe il muscolo cardiaco, con dei ricettori che permettono di accelerare il cuore, di rallentarlo, di aumentare il flusso, di diminuire il flusso. Il paziente dorme, diminuisce. Sale le scale, accelera, non ha dunque nulla a che vedere con una pompa meccanica», spiegava a settembre Philippe Pouletty, co-fondatore del gruppo.
Secondo le regole stabilite dalle autorità sanitarie transalpine, il paziente operato a Parigi, la cui identità non è stata rivelata, soffre di un’insufficienza cardiaca terminale, con un pronostico vitale seriamente compromesso, e nessuna alternativa terapeutica. Carmat assicura che il cuore artificiale potrebbe salvare ogni anno la vita di migliaia di pazienti senza rischio di rigetto e assicurando loro una qualità di vita senza precedenti. Ma il successo di questa prima fase di test non è ancora garantito. Una prima valutazione verrà effettuata a un mese dall’intervento.

Per approfondimenti – www.carmatsa.com
(Image credit: CARMAT)

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