I microrobot riparano il midollo spinale

Le lesioni del midollo spinale possono avere conseguenze devastanti per le persone colpite. Le cellule nervose del midollo spinale raramente si rigenerano naturalmente, mentre le cicatrici spesso impediscono la ricrescita delle fibre nervose. Le terapie moderne cercano di influenzare le cellule staminali impiantate utilizzando la stimolazione elettrica per promuovere la crescita di nuove cellule nervose. Questo approccio presenta diversi inconvenienti: richiede l'impianto di elettrodi e non sempre le cellule trapiantate sopravvivono o si integrano correttamente nel tessuto esistente.

Cellule e nanoparticelle sapientemente combinate

I ricercatori di Zurigo stanno seguendo un nuovo approccio, pubblicato sulla rivista Nature Materials. Si tratta di combinare cellule staminali terapeutiche con nanoparticelle magnetoelettriche in modo tale che le cellule possano essere guidate magneticamente nel punto preciso di una lesione e stimolare le cellule staminali per accelerare la riparazione.

Per ottenere questo risultato, i ricercatori hanno creato un microrobot bioibrido, che combina cellule progenitrici neurali (NPC) viventi con un componente tecnico sotto forma di nanoparticelle appositamente ingegnerizzate. Le NPC derivano da cellule staminali pluripotenti indotte (cellule iPS), che sono normali cellule del corpo riprogrammate in laboratorio per riacquistare le proprietà delle cellule staminali. Queste cellule iPS hanno il potenziale per differenziarsi in vari tipi di cellule del sistema nervoso.

Le nanoparticelle sono composte da due strati: uno interno che risponde ai campi magnetici e uno esterno che converte questa risposta in segnali elettrici. Combinando queste speciali nanoparticelle con le cellule progenitrici, i ricercatori hanno realizzato i cosiddetti NPCbot.

Un laboratorio grande come un chip

I ricercatori creano gli NPCbot in laboratori specializzati su una superficie di un centimetro quadrato. Il processo può essere illustrato graficamente. "Al centro posizioniamo un serbatoio in cui intrappoliamo le cellule. Poi iniettiamo le nanoparticelle e aspettiamo che i due componenti si leghino", spiega il professor Salvador Pané i Vidal del Multi-Scale Robotics Lab del Politecnico di Zurigo.

Dopo soli trenta minuti, gli NPCbot, ciascuno delle dimensioni di circa sei micrometri, sono pronti all'uso. "Per scalare la fabbricazione, facciamo funzionare diversi sistemi lab-on-chip in parallelo", spiega Hao Ye, scienziato senior e primo autore dello studio. A seconda del test in questione, i ricercatori dell'ETH hanno bisogno di centinaia di migliaia di microrobot per gli studi basati sulle cellule e di diversi milioni per gli esperimenti sugli animali.

I pesci zebra feriti tornano a nuotare

Il team ha testato i NPCbot su larve di pesce zebra con lesioni al midollo spinale. I microrobot sono stati iniettati con precisione nel sito della lesione del pesce e sono stati generati campi elettromagnetici. Per Pané Vidal, il lavoro di squadra è stato fondamentale per il successo dell'esperimento: "Stephan Neuhauss e Jingjing Zang dell'Università di Zurigo hanno svolto un lavoro estremamente prezioso. Ci hanno permesso di dimostrare, in un sistema modello rigenerativo ben caratterizzato, la rapidità con cui le cellule si differenziano con il nostro metodo e come i nostri bot riparano il midollo spinale". In soli tre giorni, i pesci zebra hanno mostrato un comportamento di nuoto ed esplorazione quasi normale.

I ricercatori hanno anche testato i bot NPC su topi con il midollo spinale completamente reciso. Anche in questo caso, i risultati sono stati molto promettenti: dopo 28 giorni, le cellule nervose degli animali si erano ricollegate al sito della lesione. Durante questo periodo, i topi trattati hanno mostrato modelli di movimento sempre più normali: l'andatura, la lunghezza del passo, la coordinazione e il comportamento esplorativo sono migliorati in modo significativo.

Questo risultato è particolarmente significativo perché, a differenza del pesce zebra, il midollo spinale dei topi non si rigenera normalmente. Il trattamento è stato ben tollerato dagli animali, senza alcuna evidenza di effetti avversi o reazioni immunitarie.

Successo grazie alla stimolazione minimamente invasiva

Questi successi sono stati possibili grazie alla stimolazione elettrica delle cellule staminali, che ne ha migliorato notevolmente la differenziazione dopo il trapianto. In questo processo, le nanoparticelle convertono i segnali magnetici direttamente in impulsi elettrici che stimolano specifiche cellule staminali. Quando si utilizzano gli NPCbot, i ricercatori devono solo applicare campi magnetici esterni intorno al sito della lesione, eliminando la necessità di impiantare elettrodi o cavi negli approcci precedenti. Questo è fondamentale perché il midollo spinale è estremamente sensibile. "La guida microrobotica rende il trattamento più preciso e minimamente invasivo", spiega Hao.

I campi magnetici sono particolarmente adatti a stimolare le cellule staminali perché possono penetrare facilmente nei tessuti e la loro frequenza e intensità di campo possono essere adattate in modo flessibile all'applicazione specifica. Una volta che le cellule progenitrici sono state stimolate e differenziate in cellule nervose, gli NPCbot si dissolvono essenzialmente all'interno del tessuto. I ricercatori si aspettano che le nanoparticelle siano stabili e minimamente reattive grazie al loro rivestimento di titanato di bario. Ulteriori studi determineranno se e come le particelle vengono degradate o espulse a lungo termine.

L'idea può essere ampliata in base alle esigenze

I risultati degli esperimenti sugli animali sono estremamente promettenti, ma saranno necessarie ulteriori ricerche prima che gli NPCbot possano essere testati sull'uomo. "Oltre a molti aspetti clinici, dobbiamo prima verificare quali campi magnetici funzionano meglio negli esseri umani e determinare la durata ottimale della stimolazione", spiega Hao. Tuttavia, i ricercatori stanno già considerando ulteriori applicazioni: "La produzione riproducibile e scalabile di microrobot con il nostro sistema lab-on-a-chip dimostra che il potenziale applicativo della piattaforma va oltre la ricerca di base", spiega il professor Pané i Vidal. Potrebbe essere adattata anche per altre applicazioni biomediche, ad esempio in cardiologia, oncologia, guarigione delle ferite e altre terapie rigenerative mirate. Ciò potrebbe rendere questi trattamenti più sicuri, controllabili ed efficaci.