Cartilagine artificiale creata utilizzando cellule staminali del midollo osseo / Artificial Cartilage Created Using Stem Cells From Bone Marrow

Cartilagine artificiale creata utilizzando cellule staminali del midollo osseo /  Artificial Cartilage Created Using Stem Cells From Bone Marrow

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

I ricercatori hanno dimostrato che potevano produrre cartilagine con proprietà e resistenze diverse a seconda delle forze applicate alle cellule.

Un gruppo di ricerca della Washington State University sta lavorando per creare una cartilagine artificiale simile a quella naturale, con una ricetta che può essere corretta lungo il percorso.

I ricercatori, tra cui alcuni collaboratori della Cornell University, hanno presentato il loro lavoro sulla rivista ACS Biomaterials Science and Engineering.

"Il nostro lavoro getta le basi per la progettazione di sistemi in grado di generare una struttura cartilaginea a tre strati", ha affermato Bernie Van Wie, autore corrispondente del lavoro e professore presso la Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering.

Ginocchia, spalle ed anche doloranti rappresentano un problema crescente nella popolazione statunitense che invecchia. Con l'invecchiamento ed il deterioramento della cartilagine attorno alle articolazioni mobili, i trattamenti più comuni sono gli antidolorifici o la chirurgia invasiva di sostituzione articolare, che comporta lunghi tempi di recupero, con un costo annuo negli Stati Uniti di circa 140 miliardi di dollari. La cartilagine non ha vasi sanguigni, quindi, a differenza di altre aree del corpo che si lesionano, non può guarire da sola.

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno prelevato cellule dai pazienti per far crescere la cartilagine all'esterno del corpo su impalcature di matrice di collagene uniche che migliorano la sintesi e la lubrificazione dei tessuti, ma il materiale risultante è morbido, simile alla cartilagine spugnosa del naso o delle orecchie. Di conseguenza, il suo utilizzo è stato limitato a riparazioni molto piccole.

La cartilagine naturale per ginocchia ed anche è un materiale molto sottile, di circa due-quattro millimetri, composto da tre strati separati. La cartilagine attaccata all'osso è molto rigida e presenta fibre verticali, mentre uno strato intermedio assorbe gli urti nell'articolazione. Infine, lo strato superficiale è lubrificante, liscio e flessibile, ideale per la flessione delle articolazioni del ginocchio e dell'anca.

Nel loro lavoro di proof-of-concept, i ricercatori della WSU hanno sviluppato un bioreattore che utilizza cellule staminali del midollo osseo per far crescere cartilagine con proprietà che variano a seconda della posizione. I ricercatori hanno utilizzato il taglio superficiale, che è una forza fisica, per stimolare le cellule staminali a crescere in determinati modi. Man mano che il fluido si muove attraverso il bioreattore conico, l'entità del taglio superficiale cambia, stimolando le cellule a produrre cartilagine più flessibile in un punto e più rigida in un altro.

"Creiamo un gradiente in questo reattore, in modo da ottenere diversi tipi di cartilagine, a seconda di dove ci si trova", ha affermato Van Wie.

I ricercatori sono riusciti a dimostrare di poter produrre cartilagine con proprietà e resistenza diverse a seconda delle forze imposte alle cellule, con regioni più vicine a quelle che imitano la struttura a tre strati della cartilagine naturale. 

Nell'ambito del progetto, i ricercatori stanno anche sviluppando un meccanismo di feedback unico. Un problema nella produzione di cartilagine è che a volte le cellule staminali finiscono per trasformarsi in cellule ossee invece che in quelle che producono cartilagine. I ricercatori stanno aggiungendo proteine ​​fluorescenti, in modo che se le cellule stanno producendo materiale osseo, una proteina lampeggi in rosso e si possano intraprendere azioni correttive per silenziare i geni indesiderati. Se il reattore funziona correttamente, un'altra proteina lampeggia in verde per la produzione di cartilagine.

"Quindi, non solo il nostro obiettivo è quello di realizzare questa cartilagine a tre strati, ma lo stiamo facendo con feedback correttivi man mano che il processo procede", ha affermato Van Wie. "Non è che abbiamo una ricetta e speriamo che funzioni: piuttosto, stiamo fornendo una ricetta che può essere corretta al volo in tempo reale".

I ricercatori stanno ora studiando come la pressione esercitata sulle cellule staminali influenzi la loro crescita e trasformazione. Oltre alla cartilagine, il lavoro potrebbe avere applicazioni anche in altri ambiti dell'ingegneria tissutale, come legamenti, tessuto cardiopolmonare, renale, epatico o neuronale.

ENGLISH

Researchers demonstrated that they could produce cartilage with different properties and strengths depending on the forces imposed on the cells.

A Washington State University research team is working to create an artificial cartilage that is similar to natural cartilage, with a recipe that can be corrected along the way.

The researchers, including collaborators at Cornell University, reported on their work in the journal, ACS Biomaterials Science and Engineering.

“Our work lays the groundwork for designing systems capable of generating a tri-layered cartilage construct,” said Bernie Van Wie, corresponding author on the work and a professor in the Gene and Linda Voiland School of Chemical Engineering and Bioengineering.

Bad knees, shoulders, and hips are a growing problem in an aging U.S. population. As people age and cartilage degrades around movable joints, the most common treatments are pain relievers or invasive joint replacement surgery that entails long recovery times — with an annual cost in the U.S. of about $140 billion. Cartilage doesn’t have blood vessels, so, unlike other areas of the body that get injured, it can’t heal itself.

In recent years, researchers have harvested cells from patients to grow cartilage outside the body on unique collagen matrix scaffolds that improve tissue synthesis and lubrication, but the resulting material is soft — similar to the spongy cartilage in noses or ears. Consequently, its use has been limited to very small repairs.

Natural cartilage for knees and hips is a very thin material of about two to four millimeters made of three separate layers. The cartilage attached to the bone is very stiff with vertical fibers, while a middle layer absorbs impact in the joint. Finally, the surface layer is lubricating, smooth and bendable, well-suited for flexion in knee and hip joints.

In their proof-of-concept work, the WSU researchers developed a bioreactor that uses stem cells from bone marrow to grow cartilage with properties that vary with position. The researchers used surface shear, which is a physical force, to encourage the stem cells to grow in certain ways. As fluid moves through the tapered bioreactor, the amount of surface shear changes, which encourages the cells to produce cartilage that is more flexible at one location and stiffer at another.

“We create a gradient in this reactor, so that we get different types of cartilage, depending on where you are,” said Van Wie.

The researchers were able to show that they could produce cartilage with different properties and strength depending on the forces imposed on the cells, with regions reaching closer to those that mimic the three-layer structure of natural cartilage. 

As part of the project, the researchers are also developing a unique feedback mechanism. One problem with producing cartilage is that sometimes stem cells end up becoming bone cells instead of those that make cartilage. The researchers are adding fluorescent proteins, so that if the cells are manufacturing bony material, a protein flashes red and corrective action can be taken to silence undesired genes. If the reactor is working correctly, another protein flashes green for cartilage production.

“So not only is our goal that of making this tri-layered cartilage, we’re doing it with corrective feedback as the process continues,” said Van Wie. “It’s not like we have a recipe and hope it works — rather, we’re giving a recipe that can be corrected on the fly in real time.”

The researchers are now studying how putting the stem cells under pressure affects their growth and transformation. In addition to cartilage, the work could also have applications in other areas of tissue engineering, such as for ligaments, cardiopulmonary, renal, liver, or neuronal tissue.

Da:

https://www.technologynetworks.com/biopharma/news/artificial-cartilage-created-using-stem-cells-from-bone-marrow-407343