Gravi lesioni del midollo spinale: “molecole danzanti” le riparano

Dopo che la terapia ha svolto la sua funzione, i materiali si biodegradano in sostanze nutritive per le cellule entro 12 settimane e poi scompaiono completamente dal corpo senza effetti collaterali evidenti. Questo è il primo studio in cui i ricercatori hanno controllato il movimento collettivo delle molecole attraverso cambiamenti nella struttura chimica per aumentare l’efficacia di una terapia.

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“La nostra ricerca mira a trovare una terapia che possa impedire agli individui di rimanere paralizzati dopo gravi traumi o malattie”, ha affermato Samuel I. Stupp della Northwestern , che ha guidato lo studio. “Per decenni, questa è rimasta una grande sfida per gli scienziati perché il sistema nervoso centrale del nostro corpo, che include il cervello e il midollo spinale, non ha alcuna capacità significativa di ripararsi dopo un infortunio o dopo l’insorgenza di una malattia degenerativa. Andremo direttamente alla FDA per avviare il processo per ottenere l’approvazione di questa nuova terapia per l’uso in pazienti umani, che attualmente hanno pochissime opzioni di trattamento”.

Stupp è Professore di scienze e ingegneria dei materiali, chimica, medicina e ingegneria biomedica presso la Northwestern, dove è Direttore fondatore del Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology  (SQI) e del suo centro di ricerca affiliato, il Center for Regenerative Nanomedicine. Ha incarichi presso la  McCormick School of Engineering, il  Weinberg College of Arts and Sciences e la  Feinberg School of Medicine,

L’aspettativa di vita non è migliorata dagli anni ’80

Secondo il National Spinal Cord Injury Statistical Center, negli Stati Uniti quasi 300.000 persone vivono attualmente con una lesione del midollo spinale. La vita per questi pazienti può essere straordinariamente difficile. Meno del 3% delle persone con lesioni complete recupera le funzioni fisiche di base. E circa il 30% viene ri-ospedalizzato almeno una volta in un dato anno dopo l’infortunio iniziale, con un costo medio di milioni di dollari per l’assistenza sanitaria a vita per paziente. L’aspettativa di vita per le persone con lesioni del midollo spinale è significativamente inferiore rispetto alle persone senza lesioni del midollo spinale e non è migliorata dagli anni ’80.

“Attualmente, non esistono terapie che attivano la rigenerazione del midollo spinale”, ha affermato Stupp, esperto di medicina rigenerativa. “Volevo fare la differenza sugli esiti della lesione del midollo spinale e affrontare questo problema, dato l’enorme impatto che potrebbe avere sulla vita dei pazienti. Inoltre, una nuova scienza per affrontare le lesioni del midollo spinale potrebbe avere un impatto sulle strategie per le malattie neurodegenerative e l’ictus. 

Una nuova terapia iniettabile forma nanofibre con due diversi segnali bioattivi (verde e arancione) che comunicano con le cellule per avviare la riparazione del midollo spinale danneggiato. Illustrazione di Mark Seniw

“Molecole danzanti” colpiscono bersagli mobili

Il segreto dietro la nuova rivoluzionaria terapia di Stupp è sintonizzare il movimento delle molecole, in modo che possano trovare e coinvolgere correttamente i recettori cellulari in costante movimento. Iniettata come un liquido, la terapia si gelifica immediatamente in una complessa rete di nanofibre che imitano la matrice extracellulare del midollo spinale. Abbinando la struttura della matrice, imitando il movimento delle molecole biologiche e incorporando segnali per i recettori, i materiali sintetici sono in grado di comunicare con le cellule.

“I recettori nei neuroni e in altre cellule si muovono costantemente“, ha detto Stupp. “L’innovazione chiave nella nostra ricerca, che non è mai stata fatta prima, è controllare il movimento collettivo di oltre 100.000 molecole all’interno delle nostre nanofibre. Facendo muovere, “danzare” o addirittura saltare temporaneamente le molecole da queste strutture, note come polimeri supramolecolari, sono in grado di connettersi in modo più efficace con i recettori”. 100.000le molecole si muovono all’interno delle nanofibre.

Stupp e il suo team hanno scoperto che la messa a punto del movimento delle molecole all’interno della rete di nanofibre per renderle più agili ha portato a una maggiore efficacia terapeutica nei topi paralizzati. Hanno anche confermato che le formulazioni della loro terapia con movimento molecolare potenziato hanno ottenuto risultati migliori durante i test in vitro con cellule umane, indicando una maggiore bioattività e segnalazione cellulare.

“Dato che le cellule stesse e i loro recettori sono in costante movimento, puoi immaginare che le molecole che si muovono più rapidamente incontreranno questi recettori più spesso”, ha detto Stupp. “Se le molecole sono lente e non così ‘sociali’, potrebbero non entrare mai in contatto con le cellule”.

Un’iniezione, due segnali

Una volta connesse ai recettori, le molecole in movimento attivano due segnali a cascata, entrambi fondamentali per la riparazione del midollo spinale. Un segnale spinge le lunghe code dei neuroni nel midollo spinale, chiamate assoni, a rigenerarsi. Simile ai cavi elettrici, gli assoni inviano segnali tra il cervello e il resto del corpo. Recidere o danneggiare gli assoni può provocare la perdita di sensibilità nel corpo o addirittura la paralisi. La riparazione degli assoni, d’altra parte, aumenta la comunicazione tra il corpo e il cervello. Il secondo segnale aiuta i neuroni a sopravvivere dopo la lesione perché fa proliferare altri tipi di cellule, favorendo la ricrescita dei vasi sanguigni perduti che alimentano i neuroni e le cellule critiche per la riparazione dei tessuti. La terapia induce anche la mielina a ricostruirsi intorno agli assoni e riduce la cicatrizzazione gliale, che agisce come una barriera fisica che impedisce la guarigione del midollo spinale. 

“I segnali utilizzati nello studio imitano le proteine ​​naturali necessarie per indurre le risposte biologiche desiderate. Tuttavia, le proteine ​​hanno un’emivita estremamente breve e sono costose da produrre”, ha affermato Zaida Álvarez, la prima autrice dello studio. “I nostri segnali sintetici sono brevi peptidi modificati che, se legati insieme a migliaia, sopravviveranno per settimane per fornire bioattività. Il risultato finale è una terapia che è meno costosa da produrre e dura molto più a lungo”.

Ex professore assistente di ricerca nel laboratorio di Stupp, Álvarez è ora visiting scholar presso SQI e ricercatore presso l’Istituto di Bioingegneria della  Catalogna in Spagna.

Applicazione universale

Mentre la nuova terapia potrebbe essere utilizzata per prevenire la paralisi dopo traumi importanti (incidenti automobilistici, cadute, incidenti sportivi e ferite da arma da fuoco) nonché da malattie, Stupp ritiene che la scoperta sottostante – che il “movimento supramolecolare” è un fattore chiave nella bioattività – possa essere applicato ad altre terapie e bersagli.

“I tessuti del sistema nervoso centrale che abbiamo rigenerato con successo nel midollo spinale ferito sono simili a quelli del cervello colpiti da ictus e malattie neurodegenerative, come la SLA, il morbo di Parkinson e l’Alzheimer”, ha detto Stupp. “Oltre a ciò, la nostra scoperta fondamentale sul controllo del movimento degli assemblaggi molecolari per migliorare la segnalazione cellulare potrebbe essere applicata universalmente a bersagli biomedici”.

Fonte:NorthWestern University