Un impianto unico nel suo genere potrebbe rivoluzionare il trattamento della perdita di tessuto. / First-of-its-kind implant could transform tissue loss treatment

Un impianto unico nel suo genere potrebbe rivoluzionare il trattamento della perdita di tessuto. / First-of-its-kind implant could transform tissue loss treatment

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

Un lembo di tessuto impiantabile contenente muscolo e grasso, insieme ad una rete gerarchica di vasi sanguigni e linfatici, potrebbe offrire speranza ai pazienti con gravi danni tissutali.

Un gruppo di ricerca internazionale guidato dal Laboratorio Levenberg presso la Facoltà di Ingegneria Biomedica del Technion-Israel Institute of Technology (Haifa, Israele) è riuscito a sviluppare un impianto tridimensionale unico nel suo genere, che combina tessuto muscolare ed adiposo, una rete linfatica ed una rete gerarchica di vasi sanguigni. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Cell Biomaterials.

L'attuale trattamento standard per la perdita significativa di tessuto consiste nel prelievo di un lembo autologo – tessuto prelevato da un'area sana del corpo del paziente – e nel suo trapianto nella zona danneggiata. Questo approccio viene utilizzato perché il trapianto di tessuto da un'altra persona porta al rigetto immunitario ed alle relative complicazioni. La nuova innovazione offre quindi un'importante soluzione per la perdita sostanziale di tessuto.

Secondo Shulamit Levenberg, responsabile del gruppo di ricerca, "Il nostro sviluppo rappresenta un passo significativo verso la produzione di tessuti impiantabili complessi per casi di perdita di tessuto muscolare ed adiposo a seguito di lesioni, ustioni, resezione di tumori ed altro ancora. La tecnologia presentata nell'articolo potrebbe, in futuro, consentire la produzione di lembi personalizzati, adattati alle caratteristiche specifiche della lesione di ciascun paziente."

Un lembo è un impianto che contiene un sistema vascolare gerarchico, un vantaggio notevole in termini di integrazione con il sito di impianto danneggiato. Senza un sistema di questo tipo, l'impianto non riceve immediatamente l'ossigeno ed i nutrienti di cui ha bisogno ed i prodotti di scarto cellulare non vengono eliminati correttamente.

Il nuovo lembo descritto sulla rivista Cell Biomaterials è il primo ad includere una rete linfatica, un sistema essenziale per il drenaggio dei fluidi dallo spazio interstiziale. Questo lembo integra la rete linfatica con una rete di vasi sanguigni e tessuti muscolari ed adiposi, il tutto all'interno di un'unica struttura, insieme ad un circuito artero-venoso che si collega direttamente all'apporto sanguigno nel sito di impianto. La struttura completa riproduce fedelmente il tessuto naturale mancante, inclusa la matrice extracellulare, grazie all'ottimizzazione del processo di stampa, sia nella progettazione della struttura stampata che nella calibrazione delle siringhe che controllano il posizionamento delle cellule all'interno del lembo.

In esperimenti sui ratti, i ricercatori hanno dimostrato che il collegamento del lembo all'organo bersaglio ha portato ad una rapida integrazione, inclusi un apporto continuo di ossigeno e nutrienti, un flusso sanguigno stabile, un normale sviluppo muscolare e la stabilità delle cellule adipose. Il risultato: il lembo è diventato parte integrante del sito di impianto e del tessuto circostante, sia dal punto di vista estetico che funzionale.

Lo studio è stato condotto da Levenberg, responsabile del Laboratorio di Ingegneria Tissutale e Cellule Staminali del Technion ed esperto di fama mondiale nello sviluppo di lembi di tessuto composito; Eliana Fischer, medico laureata presso la Facoltà di Medicina Ruth e Bruce Rappaport del Technion ed attualmente dottoranda presso lo stesso laboratorio; e dalla dottoranda Anna Tsukerman, laureata presso la Facoltà di Biologia, che ha intrapreso il dottorato dopo 6 anni di esperienza nell'industria biomedica.

I ricercatori hanno utilizzato un bioinchiostro unico, basato su componenti della matrice extracellulare, che imita l'ambiente tissutale naturale e consente la stampa di tessuto muscolare ed adiposo in modo da promuovere la differenziazione cellulare. Per far crescere in modo ottimale il sistema vascolare, il guppo ha stampato il sangue ingegnerizzato e ha realizzato un prototipo di bioreattore, dove le cellule sono state coltivate in condizioni di flusso che imitano il flusso sanguigno naturale nel corpo e promuovono la maturazione dello strato endoteliale.

Nella fase successiva, i lembi sono stati impiantati nei ratti e collegati direttamente ad un'arteria ed ad una vena nel sito bersaglio. Il risultato, come già accennato, è stata un'integrazione senza precedenti del lembo all'interno del corpo. In particolare, sebbene l'esperimento sia stato condotto su un modello murino, i tessuti ingegnerizzati sono stati prodotti a partire da cellule umane al fine di valutare la fattibilità della tecnologia per applicazioni sull'uomo. Il gruppo ha ora iniziato a testare la tecnologia su animali di grossa taglia, il passo successivo verso le sperimentazioni cliniche.

ENGLISH

An implantable tissue flap containing muscle and fat alongside a hierarchical network of blood and lymphatic vessels could offer hope for patients with severe tissue damage.

An international research team led by the Levenberg Laboratory in the Faculty of Biomedical Engineering at the Technion-Israel Institute of Technology (Haifa, Israel) has succeeded in developing a first-of-its-kind, three-dimensional implant that combines muscle and fat tissues, a lymphatic network and a hierarchical blood vessel network. The researchers’ findings were published in Cell Biomaterials.

The current standard treatment for significant tissue loss is harvesting an autologous flap – tissue taken from a healthy area of the patient’s own body – and transplanting it to the damaged site. This approach is used because transplanting tissue from another person leads to immune rejection and associated complications. The new development, therefore, offers an important solution for substantial tissue loss.

According to Shulamit Levenberg, head of the research group, “Our development represents a significant step toward the production of complex implantable tissues for cases involving loss of muscle and fat tissue due to injuries, burns, tumor resection and more. The technology presented in the paper may, in the future, enable the production of personalized flaps tailored to the specific characteristics of an individual patient’s injury.”

A flap is an implant that contains a hierarchical vascular system, a dramatic advantage in terms of integration with the damaged site of implantation. Without such a system, the implant does not immediately receive the oxygen and nutrients it requires, and cellular waste is not properly cleared.

The new flap described in Cell Biomaterials is the first to include a lymphatic network – an essential system that drains fluids from the interstitial space. This flap integrates the lymphatic network together with a blood vessel network and muscle and fat tissues, all within a single structure, along with an arterio-venous loop that connects directly to the blood supply at the implantation site. The complete construct closely mimics the missing natural tissue, including the extracellular matrix, thanks to optimization of the printing process, both in designing the printed structure and in calibrating the syringes that control cell placement within the flap.

With their new device, the team behind the latest study hopes to solve this problem. Building on a previous study, in which scientists designed technology that generated oxygen by splitting nearby water molecules, they created HOBIT – the hybrid oxygenation bioelectronics system for implanted therapy. HOBIT is a wireless, fully implantable platform that produces oxygen at the site of implantation, right where the cells need it, enabling a greater density of cells in the subcutaneous space.

Roughly the size of a folded stick of gum, the system comprises three main components: a chamber to hold genetically engineered cells, a mini oxygen generator and electronics to regulate oxygen production and communicate with external devices.

The team tested HOBIT in vivo in rodent models, engineering cells to produce three different biologics, each with different half lives: an anti-HIV antibody, a GLP-1-like peptide used to treat type 2 diabetes and the hormone leptin, which regulates appetite and metabolism. They then implanted the devices under the skin of rats and monitored the levels of each drug in the animals’ blood.

In animals with oxygenated implants, all three medicines were viable for the duration of the 31-day study period, something that was not reflected in control groups involving non-oxygenated implants.

The findings demonstrate how the technology has the potential to serve as a platform for cell therapy, simultaneously delivering multiple different biologics at clinically relevant doses with minimally invasive implants.

“This work highlights the broad potential of a fully integrated biohybrid platform for treating disease,” summarized Jonathan Rivnay, a co-principal investigator of the project.

“We’re beginning to see how bioelectronics and cell therapy can work together in a single platform. As these technologies continue to develop, devices like this could eventually act as programmable drug factories inside the body – delivering complex therapies in ways that simply aren’t possible today."

Da:

https://www.biotechniques.com/bioengineering-biophysics/first-of-its-kind-implant-could-transform-tissue-loss-treatment/