Le nanofibre “danzanti” aiutano a riparare i danni alla cartilagine / “Dancing” Nanofibers Help Repair Cartilage Damage

Le nanofibre “danzanti” aiutano a riparare i danni alla cartilagine / “Dancing” Nanofibers Help Repair Cartilage Damage

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Secondo i ricercatori, gli effetti rigenerativi delle molecole potrebbero essere universali e riscontrabili in diversi tipi di tessuti.

Un nuovo studio pubblicato sul Journal of the American Chemical Society suggerisce che una nuova terapia iniettabile, che sfrutta le “molecole danzanti” in rapido movimento per stimolare i recettori cellulari, potrebbe essere utilizzata per riparare le cellule cartilaginee danneggiate.

Cosa sono le “molecole danzanti”?

"Molecole danzanti" è un soprannome coniato dai ricercatori della Northwestern University per le loro innovative nanofibre sintetiche, formate da assemblaggi molecolari composti da decine o centinaia di migliaia di molecole in grado di interagire con i recettori cellulari. Sintonizzando i loro movimenti "danzanti" collettivi, il gruppo di Stupp ha scoperto che queste nanofibre possono trovare rapidamente ed interagire con i recettori cellulari presenti sulle membrane cellulari.

"I recettori cellulari si muovono costantemente", ha affermato l'autore principale dello studio Samuel I. Stupp , professore di scienza e ingegneria dei materiali, chimica, medicina ed ingegneria biomedica del Board of Trustees presso la Northwestern e direttore fondatore del Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology. "Facendo muovere, 'danzare' o persino saltare temporaneamente fuori da queste strutture, note come polimeri sopramolecolari, le nostre molecole sono in grado di connettersi in modo più efficace con i recettori".

Una volta iniettate nel corpo, le nanofibre sintetiche sono in grado di imitare la struttura della matrice extracellulare dei tessuti circostanti, imitando il movimento delle molecole biologiche ed incorporando segnali bioattivi per i recettori. In questo modo, i materiali sintetici possono comunicare con le cellule.

Un lavoro precedente condotto dal gruppo di Stupp alla Northwestern aveva scoperto che questa nanofibra poteva essere utilizzata terapeuticamente per rigenerare gli assoni danneggiati e rompere il tessuto cicatriziale nei topi con gravi lesioni al midollo spinale. Iniettando le "molecole danzanti" in un sito vicino al midollo spinale dei topi, le molecole hanno rapidamente innescato la rigenerazione del midollo spinale, con gli animali che hanno riacquistato la capacità di camminare in sole quattro settimane.

"Quando abbiamo osservato per la prima volta gli effetti terapeutici delle molecole danzanti, non vedevamo alcun motivo per cui si applicassero solo al midollo spinale", ha affermato Stupp. "Ora, osserviamo gli effetti in due tipi di cellule che sono completamente scollegate l'una dall'altra: le cellule cartilaginee nelle nostre articolazioni ed i neuroni nel nostro cervello e nel midollo spinale. Questo mi rende più fiducioso che potremmo aver scoperto un fenomeno universale. Potrebbe applicarsi a molti altri tessuti".

Invertire l'osteoartrite attraverso la rigenerazione della cartilagine

Le stime suggeriscono che circa 528 milioni di persone in tutto il mondo sono affette da osteoartrite, una malattia degenerativa che causa il deterioramento dei tessuti connettivi nelle articolazioni nel tempo. Ciò può causare gravi dolori articolari per coloro che sono affetti dalla condizione ed è una delle principali cause di dolore cronico e disabilità a lungo termine tra gli adulti. 

"Gli attuali trattamenti mirano a rallentare la progressione della malattia od a posticipare l'inevitabile sostituzione articolare", ha affermato Stupp . "Non ci sono opzioni rigenerative perché gli esseri umani non hanno una capacità intrinseca di rigenerare la cartilagine in età adulta".

Ora, il gruppo di Stupp ha applicato la terapia della "molecola danzante" alle cellule della cartilagine umana, per studiare se potessero anche stimolare la crescita e la riparazione in questo tipo di tessuto.

"Stiamo iniziando a vedere l'enorme ampiezza delle condizioni a cui questa scoperta fondamentale sulle "molecole danzanti" potrebbe applicarsi", ha affermato Stupp.

I ricercatori hanno progettato un nuovo peptide circolare che imita il segnale bioattivo del fattore di crescita trasformante beta-1 (TGFb-1), una proteina che svolge un ruolo critico nel mantenimento dell'omeostasi della cartilagine. Hanno quindi incorporato questo peptide in due diverse molecole che possono formare polimeri sopramolecolari in acqua, ciascuna con la capacità di imitare TGFb-1.

Uno di questi polimeri sopramolecolari è stato appositamente progettato per consentire alle sue molecole di muoversi, o "danzare", più liberamente all'interno del suo grande insieme, mentre l'altro polimero limitava il movimento molecolare.

"Volevamo modificare la struttura per confrontare due sistemi che differiscono nell'estensione del loro moto", ha spiegato Stupp . "L'intensità del moto sopramolecolare in uno è molto maggiore del moto nell'altro".

Il gruppo ha scoperto che, sebbene entrambi i polimeri fossero in grado di attivare il recettore TGFb-1, il polimero “danzante” era molto più efficace.

"Dopo tre giorni, le cellule umane esposte ai lunghi assemblaggi di molecole più mobili hanno prodotto quantità maggiori di componenti proteiche necessarie per la rigenerazione della cartilagine", ha affermato Stupp . "Per la produzione di uno dei componenti della matrice cartilaginea, noto come collagene II, le molecole danzanti contenenti il ​​peptide ciclico che attiva il recettore TGFb-1 sono state persino più efficaci della proteina naturale che ha questa funzione nei sistemi biologici".

Dopo il successo degli esperimenti con le cellule cartilaginee, il gruppo di Stupp sta ora testando sistemi simili in studi sugli animali, lavorando per aggiungere ulteriori segnali per creare terapie ancora più bioattive.

I loro esperimenti hanno avuto risultati iniziali promettenti nella rigenerazione ossea, ha riferito Stupp, con una pubblicazione prevista più avanti nel corso dell'anno. Il gruppo sta anche lavorando con organoidi umani per testare le molecole ed accelerare il processo di scoperta di nuovi biomateriali terapeutici.

"Con il successo dello studio sulle cellule cartilaginee umane, prevediamo che la rigenerazione della cartilagine sarà notevolmente migliorata se utilizzata in modelli preclinici altamente traslazionali", ha affermato Stupp . "Dovrebbe svilupparsi in un nuovo materiale bioattivo per la rigenerazione del tessuto cartilagineo nelle articolazioni".

ENGLISH

The regenerative effects of the molecules may be universal across different tissue types, the researchers say.

A new injectable therapy, which harnesses fast-moving “dancing molecules” to stimulate cellular receptors, could be used to repair damaged cartilage cells, a new study in the Journal of the American Chemical Society, suggests.

What are “dancing molecules”?

“Dancing molecules” is a moniker coined by researchers at Northwestern University for their innovative synthetic nanofibers, formed from molecular assemblies comprising tens to hundreds of thousands of molecules that can interact with cell receptors. By tuning their collective “dancing” motions, Stupp’s team discovered that these nanofibers can rapidly find and engage with the cellular receptors that exist on cell membranes.

“Cellular receptors constantly move around,” said lead study author Samuel I. Stupp, who is the Board of Trustees professor of materials science and engineering, chemistry, medicine and biomedical engineering at Northwestern and the founding director of the Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology. “By making our molecules move, ‘dance’ or even leap temporarily out of these structures, known as supramolecular polymers, they are able to connect more effectively with receptors.”

Once injected into the body, the synthetic nanofibers are able to mimic the extracellular matrix structure of their surrounding tissues, mimicking the motion of biological molecules and incorporating bioactive signals for the receptors. In this way, the synthetic materials can communicate with cells.

Previous work led by Stupp’s team at Northwestern had found that this nanofiber could be used therapeutically to regenerate damaged axons and break down scar tissue in mice with severe spinal cord injuries. By injecting the “dancing molecules” into a site close to the mice’s spinal cord, the molecules rapidly triggered spinal cord regeneration, with the animals regaining the ability to walk in just four weeks.

“When we first observed therapeutic effects of dancing molecules, we did not see any reason why it should only apply to the spinal cord,” said Stupp. “Now, we observe the effects in two cell types that are completely disconnected from one another – cartilage cells in our joints and neurons in our brain and spinal cord. This makes me more confident that we might have discovered a universal phenomenon. It could apply to many other tissues.”

Reversing osteoarthritis through cartilage regeneration

Estimates suggest that approximately 528 million people worldwide are affected by osteoarthritis, a degenerative disease that causes connective tissues in the joints to deteriorate over time. This can result in severe joint pain for those affected by the condition and is a leading cause of chronic pain and long-term disability among adults. 

“Current treatments aim to slow disease progression or postpone inevitable joint replacement,” Stupp said. “There are no regenerative options because humans do not have an inherent capacity to regenerate cartilage in adulthood.”

Now, Stupp’s team has applied their “dancing molecule” therapy to human cartilage cells, in order to study whether they might also stimulate growth and repair in this tissue type.

“We are beginning to see the tremendous breadth of conditions that this fundamental discovery on “dancing molecules” could apply to,” Stupp said.

The researchers designed a new circular peptide that mimics the the bioactive signal of transforming growth factor beta-1 (TGFb-1), a protein that plays a critical role in maintaining the homeostasis of cartilage. They then incorporated this peptide into two different molecules that can form supramolecular polymers in water, each with the ability to mimic TGFb-1.

One of these supramolecular polymers was specially designed to enable its molecules to move, or “dance”, more freely within its large assembly, while the other polymer restricted molecular movement.

“We wanted to modify the structure in order to compare two systems that differ in the extent of their motion,” Stupp explained. “The intensity of supramolecular motion in one is much greater than the motion in the other one.”

The team found that while both of the polymers were able to activate the TGFb-1 receptor, the “dancing” polymer was much more effective.

“After three days, the human cells exposed to the long assemblies of more mobile molecules produced greater amounts of the protein components necessary for cartilage regeneration,” Stupp said. “For the production of one of the components in cartilage matrix, known as collagen II, the dancing molecules containing the cyclic peptide that activates the TGFb-1 receptor were even more effective than the natural protein that has this function in biological systems.”

Following the success of their experiments with cartilage cells, Stupp’s team is now testing similar systems in animal studies, working on adding additional signals to create even more bioactive therapies.

Their experiments have had promising early results in regenerating bone, Stupp reported, with a publication expected to follow later in the year. The team is also working with human organoids to test the molecules and accelerate the process of discovering new therapeutic biomaterials.

“With the success of the study in human cartilage cells, we predict that cartilage regeneration will be greatly enhanced when used in highly translational pre-clinical models,” Stupp said. “It should develop into a novel bioactive material for regeneration of cartilage tissue in joints.”

Da:

https://www.technologynetworks.com/applied-sciences/news/dancing-nanofibers-help-repair-cartilage-damage-389199