Un bioreattore intelligente per modelli avanzati di tessuto osteocondrale
I difetti osteocondrali che interessano sia la cartilagine che l’osso sottostante sono difficili da riparare, poiché i due tessuti presentano strutture, proprietà meccaniche e ambienti biologici distinti. Le malattie degenerative come l’osteoartrite rappresentano un onere sempre maggiore, ma i trattamenti convenzionali rimangono limitati. Tuttavia, nel campo dell’ingegneria tissutale, chi vuole produrre e studiare sostituti funzionali si scontra con la difficoltà di ricreare le condizioni fisiche complesse alla base dello sviluppo dei tessuti nell’articolazione.
Ricreare l’ambiente osteocondrale
Con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra), il progetto SYNERGIES ha colmato questa lacuna sviluppando una piattaforma di ricerca avanzata che riproduce le caratteristiche strutturali e biofisiche fondamentali dell’ambiente tissutale osteocondrale nativo. A tal fine, l’équipe di ricerca ha combinato substrati a doppio strato(si apre in una nuova finestra) stampati in 3D con una stimolazione fisica controllata e specifica per il tessuto, erogata da un bioreattore biomimetico appositamente costruito. Anziché considerare il tessuto osteocondrale come una struttura uniforme, la piattaforma separa le regioni ossea e cartilaginea in due compartimenti. In tal modo, ciascun compartimento riceve terreni di differenziazione e stimoli fisici adeguati. «SYNERGIES è andato oltre i modelli statici semplificati e ha studiato come i tessuti osteocondrali in via di sviluppo rispondano a condizioni più rilevanti dal punto di vista fisiologico», spiega il ricercatore João Silva.
Ottimizzare la stimolazione tramite modelli e IA
Grazie alla modellazione multifisica, è stato possibile descrivere diversi parametri sulla piattaforma, tra cui il flusso dei fluidi, lo sforzo di taglio, la pressione, la deformazione e i campi elettromagnetici(si apre in una nuova finestra) all’interno della camera di coltura e dei costrutti. Così facendo, l’équipe ha potuto determinare come si evolvono i parametri di stimolazione all’interno del bioreattore e studiare come influenzano le cellule. Inoltre, nell’architettura di controllo è stato integrato l’apprendimento automatico per combinare i risultati della modellazione con i dati sperimentali, permettendo così di ottimizzare le condizioni operative. La piattaforma risultante è stata convalidata tramite esperimenti di coltura cellulare in vitro, che hanno aiutato a ottimizzare progressivamente i protocolli di ingegneria tissutale osteocondrale. Il bioreattore modulare è stato realizzato usando materiali biocompatibili e autoclavabili, con un’architettura di facile utilizzo che in futuro faciliterà il rispetto delle buone pratiche di laboratorio e di produzione.
Costruire modelli migliori per la ricerca sulle malattie e sui farmaci
Oltre alla rigenerazione dei tessuti, la piattaforma SYNERGIES apre una strada verso modelli 3D umani più fisiologicamente rilevanti per lo studio della biologia e delle patologie osteocondrali. Combinando cellule umane, substrati biomimetici e stimolazione fisica controllata, i ricercatori possono creare modelli di tessuto sano e malato, ma anche modelli di osteoartrite, in condizioni riproducibili. Inoltre, la piattaforma potrebbe contribuire alla scoperta di nuovi farmaci, identificando i candidati inefficaci o potenzialmente dannosi nelle prime fasi dello sviluppo, riducendo così il numero di composti che devono passare alla fase di sperimentazione sugli animali. «Il valore di questi modelli non si limita alla rigenerazione dei tessuti. Riproducendo l’interazione tra osso e cartilagine in un ambiente controllato e simile a quello naturale, possiamo indagare i meccanismi della malattia e valutare potenziali trattamenti in condizioni che ricalcano più da vicino quelle presenti nell’articolazione umana», sottolinea Diana Massai, responsabile del progetto SYNERGIES. L’obiettivo a lungo termine del progetto è trasformare la piattaforma in una tecnologia robusta e scalabile. Sarà necessario altro lavoro per convalidare le prestazioni a lungo termine e testare le cellule derivate dai pazienti, normalizzare i protocolli di coltura e affrontare le questioni relative alla sicurezza, alle normative e ai costi. Altri aspetti importanti saranno la protezione della proprietà intellettuale e la collaborazione con partner clinici e industriali.
