Ingegneria dei tessuti neurali: cos’è, ingegneria dei tessuti

L’ingegneria dei tessuti neurali è un sottocampo specifico dell’ingegneria dei tessuti . L’ingegneria dei tessuti neurali è principalmente una ricerca di strategie per eliminare l’infiammazione e la fibrosi dopo l’impianto di sostanze estranee. Spesso vengono impiantate sostanze estranee sotto forma di innesti e impalcature per promuovere la sostituzione dei nervi e riparare i danni causati ai nervi sia del sistema nervoso centrale (SNC) che del sistema nervoso periferico (SNP) da una lesione.

Introduzione

Il sistema nervoso è diviso in due sezioni: il SNC e il SNP. Il sistema nervoso centrale è costituito dal cervello e dal midollo spinale, mentre il sistema nervoso centrale è costituito da nervi che originano dal cervello e dal midollo spinale e innervano il resto del corpo.

La necessità dell’ingegneria dei tessuti neurali nasce dalla difficoltà delle cellule nervose e dei tessuti neurali di rigenerarsi da soli dopo che si è verificato un danno neurale. Il SNP ha una rigenerazione parziale, ma limitata, delle cellule neurali. È stato scoperto che la neurogenesi delle cellule staminali adulte nel sistema nervoso centrale si verifica nell’ippocampo , nella zona subventricolare (SVZ) e nel midollo spinale. Le lesioni del sistema nervoso centrale possono essere causate da ictus , disturbi neurodegenerativi , traumi o encefalopatia . Alcuni metodi attualmente studiati per il trattamento delle lesioni del SNC sono: impianto di cellule staminali direttamente nel sito della lesione, rilascio di morfogenial sito della lesione o in crescita del tessuto neurale in vitro con cellule staminali neurali o progenitrici in un’impalcatura 3D . L’uso proposto di scaffold fibrosi polimerici elettrofilati per substrati di riparazione neurale risale almeno al 1986 in un’applicazione NIH SBIR di Simon. Per il SNP, un nervo reciso può essere ricollegato e reinnervato utilizzando innesti o guidando il nervo esistente attraverso un canale.

Recenti ricerche sulla creazione di cortecce in miniatura, note come corticopoiesi , e modelli cerebrali, noti come organoidi cerebrali , sono tecniche che potrebbero favorire il campo della rigenerazione del tessuto neurale. I progenitori corticali nativi nella corticopoiesi sono tessuti neurali che potrebbero essere efficacemente incorporati nel cervello. Gli organoidi cerebrali sono cellule staminali pluripotenti umane 3D sviluppate in sezioni della corteccia cerebrale, a dimostrazione del fatto che esiste un potenziale per isolare e sviluppare determinati tessuti neurali utilizzando progenitori neurali.

Un’altra situazione che richiede l’impianto di tessuto estraneo è l’uso di elettrodi di registrazione . Gli impianti di elettrodi cronici sono uno strumento utilizzato nelle applicazioni di ricerca per registrare i segnali dalle regioni della corteccia cerebrale . La ricerca sulla stimolazione dei neuroni PNS in pazienti con paralisi e protesi potrebbe favorire la conoscenza della reinnervazione del tessuto neurale sia nel PNS che nel sistema nervoso centrale. Questa ricerca è in grado di rendere più gestibile un aspetto difficile dell’ingegneria del tessuto neurale, l’innervazione funzionale del tessuto neurale.

SNC

Cause di danno al SNC

Esistono tre cause principali di lesione del sistema nervoso centrale: ictus , trauma cranico (TBI) o complicanze dello sviluppo. Gli ictus sono classificati come emorragici (quando un vaso è danneggiato al punto da sanguinare nel cervello) o ischemici (quando un coagulo blocca il flusso sanguigno attraverso il vaso nel cervello). Quando si verifica un’emorragia, il sangue penetra nel tessuto circostante, provocando la morte dei tessuti, mentre le emorragie ischemiche provocano una mancanza di flusso sanguigno a determinati tessuti. La lesione cerebrale traumatica è causata da forze esterne che colpiscono il cranio o il midollo spinale. I problemi con lo sviluppo del sistema nervoso centrale provocano una crescita anormale dei tessuti durante lo sviluppo, riducendo così la funzione del sistema nervoso centrale.

Normale sviluppo cerebrale (a sinistra), microcefalia, un tipo di encefalopatia (a destra)

Trattamenti e ricerca sul SNC

Impianto di cellule staminali nel sito della lesione

Un metodo per trattare la lesione del sistema nervoso centrale prevede la coltura di cellule staminali in vitro e l’impianto delle cellule staminali non dirette nel sito della lesione cerebrale. L’impianto di cellule staminali direttamente nel sito della lesione previene la formazione di cicatrici gliali e promuove la neurogenesi originata dal paziente, ma corre anche il rischio di sviluppo del tumore, infiammazione e migrazione delle cellule staminali fuori dalla sede della lesione. Tumorigenesipuò verificarsi a causa della natura incontrollata della differenziazione delle cellule staminali, l’infiammazione può verificarsi a causa del rigetto delle cellule impiantate da parte delle cellule ospiti e la natura altamente migratoria delle cellule staminali provoca l’allontanamento delle cellule dal sito della lesione, quindi non avendo l’effetto desiderato sul sito della lesione. Altre preoccupazioni dell’ingegneria dei tessuti neurali includono la creazione di fonti sicure di cellule staminali e l’ottenimento di risultati riproducibili da un trattamento all’altro.

In alternativa, queste cellule staminali possono fungere da vettori per altre terapie, sebbene gli effetti positivi dell’utilizzo delle cellule staminali come meccanismo di somministrazione non siano stati confermati. La somministrazione diretta di cellule staminali ha un maggiore effetto benefico se sono dirette a diventare cellule neuronali in vitro . In questo modo, i rischi associati alle cellule staminali non indirizzate sono ridotti; inoltre, le lesioni che non hanno un limite specifico potrebbero essere trattate in modo efficiente.

Colonie staminali embrionali umane (A), escrescenze assonali (B)

Consegna di molecole al sito della lesione

Molecole che promuovono la rigenerazione del tessuto neurale, inclusi farmaci , fattori di crescita noti come morfogeni e miRNA possono anche essere introdotte direttamente nel sito della lesione del tessuto del SNC danneggiato. La neurogenesi è stata osservata negli animali trattati con farmaci psicotropi attraverso l’inibizione della ricaptazione della serotonina e l’induzione della neurogenesi nel cervello. Quando le cellule staminali si stanno differenziando, le cellule secernono morfogeni come i fattori di crescita per promuovere uno sviluppo sano. Questi morfogeni aiutano a mantenere l’omeostasi e le vie di segnalazione neurale, e possono essere rilasciati nel sito della lesione per promuovere la crescita dei tessuti lesi. Attualmente, la consegna del morfogeno ha benefici minimi a causa delle interazioni che i morfogeni hanno con il tessuto danneggiato. I morfogeni che non sono innati nel corpo hanno un effetto limitato sul tessuto danneggiato a causa delle dimensioni fisiche e della loro limitata mobilità all’interno del tessuto del SNC. Per essere un trattamento efficace, i morfogeni devono essere presenti nel sito della lesione a una concentrazione specifica e costante. È stato anche dimostrato che il miRNA influenza la neurogenesi dirigendo la differenziazione delle cellule neurali indifferenziate.

Impianto di tessuto neurale sviluppato in vitro

Un terzo metodo per il trattamento delle lesioni del sistema nervoso centrale consiste nel creare artificialmente tessuto esterno al corpo da impiantare nel sito della lesione. Questo metodo potrebbe trattare lesioni che consistono in grandi cavità, dove è necessario sostituire e rigenerare quantità maggiori di tessuto neurale. Il tessuto neurale viene coltivato in vitro con cellule staminali o progenitrici neurali in un’impalcatura 3D , formando corpi embrionali (EB). Questi EB sono costituiti da una sfera di cellule staminali, in cui le cellule interne sono cellule neurali indifferenziate e le cellule circostanti sono sempre più differenziate. Gli scaffold 3D vengono utilizzati per trapiantare il tessuto nel sito della lesione e per creare l’interfaccia appropriata tra il tessuto artificiale e quello cerebrale. I ponteggi devono essere:sito di lesione biocompatibile , biodegradabile , adatto, simile al tessuto esistente in termini di elasticità e rigidità, e supporta la crescita di cellule e tessuti. La combinazione dell’utilizzo di cellule staminali e scaffold diretti per supportare le cellule e i tessuti neurali aumenta la sopravvivenza delle cellule staminali nel sito della lesione, aumentando l’efficacia del trattamento.

Cellule staminali embrionali di topo (mESC) Corpi embrionali (EB)

Esistono 6 diversi tipi di scaffold che vengono studiati per l’utilizzo in questo metodo per il trattamento della lesione del tessuto neurale:

  • Gli idrogel liquidi sono catene polimeriche idrofobe reticolate e le cellule staminali neurali vengono coltivate sulla superficie del gel o integrate nel gel durante la reticolazione delle catene polimeriche. Il principale svantaggio degli idrogel liquidi è che c’è una protezione limitata delle cellule che vengono trapiantate.
  • Gli scaffold di supporto sono costituiti da strutture solide a forma di perline o microporose e possono fungere da vettori per le cellule trapiantate o per i fattori di crescita che le cellule staminali secernono durante la loro differenziazione. Le cellule aderiscono alla superficie della matrice in strati 2D. Le impalcature di supporto sono facilmente trapiantate nel sito della lesione cerebrale a causa delle dimensioni dell’impalcatura. Forniscono una matrice che promuove l’adesione e l’aggregazione cellulare, aumentando così l’aumento della coltura cellulare sana.
  • Gli scaffold di allineamento possono essere a base di seta, a base di polisaccaridi o basati su altri materiali come un idrogel ricco di collagene. Questi gel sono ora potenziati con micro-pattern sulla superficie per la promozione delle escrescenze neuronali. Questi scaffold vengono utilizzati principalmente per la rigenerazione che deve avvenire in un orientamento specifico, come nelle lesioni del midollo spinale.
  • Gli scaffold integrativi vengono utilizzati principalmente per proteggere le cellule trapiantate dalle forze meccaniche a cui sono esposte durante il processo di impianto nel sito della lesione. Queste impalcature riducono anche la probabilità che le cellule infiammatorie situate nel sito della lesione migrino nell’impalcatura con le cellule staminali. È stato osservato che i vasi sanguigni crescono attraverso l’impalcatura, quindi l’impalcatura e le cellule vengono integrate nel tessuto ospite.
  • Una combinazione di impalcature ingegnerizzate presenta un’opzione per un’impalcatura 3D che può avere sia i modelli necessari per l’adesione cellulare sia la flessibilità necessaria per adattarsi all’ambiente in continua evoluzione nel sito della lesione. Gli scaffold ECM decellularizzati sono un’opzione per gli scaffold perché imitano più da vicino il tessuto nativo, ma attualmente questi scaffold possono essere raccolti solo da amputazioni e cadaveri.

Questi scaffold 3D possono essere fabbricati utilizzando tecniche di lisciviazione del particolato , schiumatura di gas , incollaggio di fibre , colata con solvente o elettrofilatura ; ogni tecnica crea uno scaffold con proprietà diverse rispetto alle altre tecniche.

È stato dimostrato che il successo dell’incorporazione di scaffold 3D nel sistema nervoso centrale dipende dallo stadio in cui le cellule si sono differenziate. Gli stadi successivi forniscono un impianto più efficiente, mentre le cellule stadiate in precedenza devono essere esposte a fattori che costringono le cellule a differenziarsi e quindi a rispondere in modo appropriato ai segnali che le cellule riceveranno nel sito della lesione del SNC. Il fattore neurotrofico derivato dal cervello è un potenziale co-fattore per promuovere l’attivazione funzionale dei neuroni derivati ​​dalle cellule ES nei siti di lesione del SNC.

PNS

Cause di danno al SNP

Il trauma al SNP può causare danni gravi come la rottura del nervo, dividendo il nervo in una sezione prossimale e distale . Il nervo distale degenera nel tempo a causa dell’inattività, mentre l’estremità prossimale si gonfia nel tempo. L’estremità distale non degenera immediatamente e il rigonfiamento dell’estremità prossimale non la rende non funzionale, quindi sono allo studio metodi per ristabilire la connessione tra le due estremità del nervo.

Trattamenti e ricerca PNS

Riconnessione chirurgica

Un metodo per trattare la lesione PNS è la riconnessione chirurgica del nervo reciso prendendo le due estremità del nervo e suturandole insieme. Quando si suturano insieme i nervi, i fasci del nervo vengono ricollegati ciascuno, collegando nuovamente il nervo. Sebbene questo metodo funzioni per separazioni che creano un piccolo spazio tra le estremità nervose prossimali e distali , questo metodo non funziona su spazi di distanze maggiori a causa della tensione che deve essere esercitata sulle terminazioni nervose. Questa tensione provoca la degenerazione nervosa e quindi il nervo non può rigenerarsi e formare una connessione neurale funzionale.

Innesti di tessuto

Gli innesti di tessuto utilizzano nervi o altri materiali per colmare le due estremità del nervo reciso. Esistono tre categorie di innesti di tessuto: innesti di tessuto autologo, innesti di tessuto non autologo e innesti acellulari.

Gli innesti di tessuto autologo trapiantano i nervi da una parte diversa del corpo del paziente per colmare il divario tra le due estremità del nervo danneggiato. Questi nervi sono tipicamente nervi cutanei , ma sono stati studiati anche altri nervi con risultati incoraggianti. Questi innesti di nervo autologo sono l’attuale gold standard per l’innesto di nervo PNS a causa della natura altamente biocompatibile dell’innesto di nervo autologo, ma ci sono problemi riguardanti la raccolta del nervo dai pazienti stessi e la possibilità di immagazzinare una grande quantità di innesti autologhi per il futuro uso.

Gli innesti non autologhi e acellulari (compresi i materiali a base di ECM ) sono tessuti che non provengono dal paziente, ma possono invece essere prelevati da cadavere (noto come tessuto allogenico ) o da animali (noto come tessuto xenogenico ). Sebbene questi tessuti abbiano un vantaggio rispetto agli innesti di tessuto autologo perché il tessuto non deve essere prelevato dal paziente, sorgono difficoltà con il potenziale di trasmissione della malattia e quindi problemi immunogenici . I metodi per eliminare le cellule immunogeniche, lasciando così solo i componenti ECM del tessuto, sono attualmente allo studio per aumentare l’efficacia degli innesti di tessuto non autologo.

Guida

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Rigenerazione con guida negli assoni periferici del pesce zebra

I metodi di guida della rigenerazione del SNP utilizzano i canali guida nervosi per aiutare gli assoni a ricrescere lungo il percorso corretto e possono indirizzare i fattori di crescita secreti da entrambe le estremità del nervo per promuovere la crescita e la riconnessione. I metodi di guida riducono la cicatrizzazione dei nervi, aumentando la funzionalità dei nervi per trasmettere i potenziali d’azione dopo la riconnessione. Due tipi di materiali sono utilizzati nei metodi di guida della rigenerazione PNS: materiali a base naturale e materiali sintetici.

I materiali a base naturale sono impalcature modificate derivanti da componenti ECM e glicosaminoglicani . Laminina , collagene e fibronectina , che sono tutti componenti della MEC , guidano lo sviluppo assonale e promuovono la stimolazione e l’attività neurale. Altre molecole che hanno il potenziale per promuovere la riparazione dei nervi sono: acido ialuronico , fibrinogeno , gel di fibrina, scaffold peptidici autoassemblanti , alginato , agarosio e chitosano .

I materiali sintetici forniscono anche un altro metodo per la rigenerazione dei tessuti in cui è possibile controllare le proprietà chimiche e fisiche dell’innesto. Poiché le proprietà di un materiale possono essere specificate per la situazione in cui viene utilizzato, i materiali sintetici sono un’opzione interessante per la rigenerazione PNS. L’uso di materiali sintetici comporta alcune preoccupazioni, come: facile formazione del materiale dell’innesto nelle dimensioni necessarie, biodegradabile, sterilizzabile, resistente allo strappo, facile da usare, basso rischio di infezione e bassa risposta infiammatoria dovuta al materiale. Il materiale deve anche mantenere il canale durante la rigenerazione nervosa. Attualmente, i materiali più comunemente ricercati si concentrano principalmente su poliesteri , ma poliuretano biodegradabile , altrosono allo studio anche i polimeri e il vetro biodegradabile . Altre possibilità per i materiali sintetici stanno conducendo polimeri e polimeri biologicamente modificati per promuovere la crescita degli assoni cellulari e mantenere il canale degli assoni.

Difficoltà di ricerca

Poiché ci sono così tanti fattori che contribuiscono al successo o al fallimento dell’ingegneria del tessuto neurale, ci sono molte difficoltà che sorgono nell’usare l’ingegneria del tessuto neurale per trattare le lesioni del sistema nervoso centrale e del sistema nervoso centrale. Innanzitutto, la terapia deve essere erogata nel sito della lesione. Ciò significa che è necessario accedere al sito della lesione mediante intervento chirurgico o somministrazione di farmaci. Entrambi questi metodi hanno rischi e difficoltà intrinseche in se stessi, aggravando i problemi associati ai trattamenti. Una seconda preoccupazione è mantenere la terapia nel sito della lesione. Le cellule staminali hanno la tendenza a migrare dal sito della lesione ad altre sezioni del cervello, quindi la terapia non è così efficace come potrebbe essere quando le cellule rimangono nel sito della lesione. Inoltre, la consegna di cellule staminali e altri morfogeni al sito della lesione può causare più danni che benefici se inducono tumorigenesi, infiammazione o altri effetti imprevisti. Infine, i risultati nei laboratori potrebbero non tradursi in trattamenti clinici pratici. I trattamenti hanno successo in un laboratorio, o anche un modello animale della lesione, potrebbe non essere efficace in un paziente umano.

Ricerca correlata

Modellazione dello sviluppo del tessuto cerebrale in vitro

Due modelli per lo sviluppo del tessuto cerebrale sono gli organoidi cerebrali e la corticopoiesi . Questi modelli forniscono un modello “in vitro” per il normale sviluppo del cervello, ma possono essere manipolati per rappresentare difetti neurali. Pertanto, i meccanismi alla base di uno sviluppo sano e malfunzionante possono essere studiati dai ricercatori che utilizzano questi modelli. Questi tessuti possono essere realizzati con cellule staminali embrionali di topo (ESC) o ESC umane. Le ESC di topo sono coltivate in una proteina chiamata inibitore Sonic Hedgehog per promuovere lo sviluppo del prosencefalo dorsale e studiare il destino corticale. È stato dimostrato che questo metodo produce strati assonali che imitano un’ampia gamma di strati corticali. I tessuti umani derivati ​​​​dall’ESC utilizzano cellule staminali pluripotenti per formare tessuti su impalcature, formando EB umani. Questi tessuti derivati ​​dall’ESC umano sono formati coltivando EB pluripotenti umani in un bioreattore rotante .

Reinnervazione mirata

La reinnervazione mirata è un metodo per reinnervare le connessioni neurali nel sistema nervoso centrale e nel sistema nervoso centrale, in particolare nei pazienti paralizzati e negli amputati che utilizzano arti protesici. Attualmente si stanno studiando dispositivi che captano e registrano i segnali elettrici che vengono propagati attraverso i neuroni in risposta all’intenzione di una persona di muoversi. Questa ricerca potrebbe far luce su come reinnervare le connessioni neurali tra i nervi PNS recisi e le connessioni tra gli scaffold 3D trapiantati nel sistema nervoso centrale.


https://en.wikipedia.org/wiki/Neural_tissue_engineering

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