Per chi soffre di malattia delle ossa fragili, la vita è una vera e propria danza sulle uova. Anche un piccolo passo falso, una caduta innocua o un semplice movimento sbagliato sono sufficienti a rompere una gamba o un braccio. E di solito ripetutamente. Questo perché le loro ossa sono fragili e fragili fin dalla nascita, a causa di un difetto genetico ereditato, e il loro fisico è spesso deformato. Peter Radtke, autore e attore tedesco, soffriva della malattia delle ossa fragili, così come Michel Petrucciani, pianista jazz francese.
Impalcatura costituita da una matrice porosa
Come esattamente le mutazioni nella proteina del collagene ostacolino la formazione della matrice ossea e come la matrice difettosa possa essere trattata è ancora solo parzialmente noto. Un gruppo di ricercatori dell’Istituto di Biomeccanica del Politecnico di Zurigo ha ora compiuto un passo importante per rispondere a queste domande. Il team, guidato da Xiao-Hua Qin, professore di ingegneria dei biomateriali, insieme a Ralph Müller, anch’egli professore al Politecnico di Zurigo, ha sviluppato un modello 3D in vitro con il quale è possibile studiare la formazione dell’osso in modo più dettagliato, utilizzando sia cellule sane che, in futuro, cellule di pazienti con osso fragile. I ricercatori riferiscono di questi progressi nell’attuale numero della rivista scientifica Nature Communications."I neuroni possono formare reti artificiali molto facilmente in un idrogel poroso".
La base del nuovo modello osseo è una matrice porosa - una sorta di impalcatura - realizzata con un polimero sintetico. In questa matrice - un morbido "idrogel" - le cellule che formano l’osso (osteoblasti) possono insediarsi, moltiplicarsi e formare una rete tridimensionale con le loro estensioni. Durante lo sviluppo, una dimensione dei pori compresa tra i 5 e i 20 micrometri si è rivelata ideale: abbastanza grande da permettere alle cellule di insediarsi e creare una rete, ma abbastanza stretta da impedire loro di uscire.
I ricercatori hanno tratto ispirazione per l’idrogel da modelli in vitro per le cellule nervose. "I neuroni possono formare reti artificiali molto facilmente in un idrogel poroso", spiega Qin. Tuttavia, si sono subito resi conto che le cellule precursori dell’osso "reagiscono in modo completamente diverso" sotto un aspetto. Anche se hanno bisogno di una matrice porosa, è importante che questa matrice possa essere degradata. I ricercatori hanno quindi aggiunto all’idrogel un cosiddetto reticolante, che può essere degradato dall’enzima metalloproteasi di matrice (MMP). Di conseguenza, le cellule formano fibre di collagene più mature. La MMP è essenziale per molti processi dell’organismo, tra cui la formazione delle ossa.
Affinché le cellule ossee crescano e si colleghino correttamente, era necessario un secondo trucco. "Per lo sviluppo dell’osso, ma anche per il suo rimodellamento, le cellule devono essere stimolate meccanicamente", spiega Doris Zauchner, dottoranda del gruppo di Qin e prima autrice del lavoro di ricerca. A tal fine, i ricercatori hanno posizionato un idrogel con cellule incorporate su un chip e hanno permesso a un liquido di fluire attraverso i pori. "Il liquido esercita forze di taglio sulle cellule", spiega Zauchner. Questo è importante per il funzionamento delle cellule. Un fluido che trasporta nutrienti e sostanze messaggere stimola meccanicamente le cellule nei pori delle ossa sane.
Ilmodello si avvicina alla normale formazione ossea
Come riferiscono ora i ricercatori, il loro modello osseo con matrice idrogel degradabile e stimolazione meccanica è in grado di imitare bene lo sviluppo osseo. Gli osteoblasti si moltiplicano, in alcuni casi si differenziano addirittura in osteociti precoci - che costituiscono il 90% delle cellule dell’osso sano - secernono collagene e possono mineralizzare la matrice. "Sarà anche un modello", dice Zauchner, "ma si avvicina al normale sviluppo osseo". Il modello è stato brevettato e sarà messo a disposizione di potenziali partner industriali interessati.
Rispetto ai precedenti modelli di formazione ossea, il nuovo modello in vitro su chip presenta numerosi vantaggi. Nei modelli precedenti, i pori erano o troppo stretti, in modo che le cellule potessero muoversi a fatica, o troppo larghi, in modo che non si potesse formare una rete tridimensionale. Inoltre, questi modelli si basavano sul collagene come struttura di matrice, il che significava che era molto difficile indagare se e quanto collagene producessero le cellule stesse. Poiché il modello si adatta a un piccolo chip, i ricercatori possono utilizzarlo anche se hanno a disposizione solo poche cellule di un paziente.
Sostituire gli esperimenti sugli animali
Finora, tuttavia, la malattia delle ossa fragili OI è stata studiata principalmente su modelli animali. Secondo Zauchner, ne esistono più di 20, che utilizzano topi, pesci e persino cani. "Tuttavia, gli esperimenti sugli animali hanno molte limitazioni", afferma l’esperta, e soprattutto sono molto costosi. "Per questo vogliamo creare un modello in vitro per l’OI. Il nostro obiettivo è quello di introdurre nell’idrogel cellule di pazienti affetti da OI e scoprire quali processi non funzionano". Zauchner sta attualmente iniziando i primi esperimenti con le cellule di un giovane paziente OI presso l’Ospedale pediatrico di Zurigo.
In generale, il gruppo di ricerca di Xiao-Hua Qin vuole comprendere meglio i processi di formazione, formazione e degradazione dell’osso. Il team non si affida solo al nuovo modello OI per raggiungere questo obiettivo. Un altro progetto, per il quale Qin ha recentemente ricevuto una prestigiosa sovvenzione ERC Starting Grant, riguarda un modello per le malattie degenerative dell’osso come l’osteoporosi. Questo progetto si concentra sugli osteociti, cioè sulle cellule ossee differenziate. "Vogliamo costruire un modello in vitro con questi osteociti", dice Qin. Dopotutto, nessuno è mai riuscito a farlo prima, tranne forse il suo team: "Nel modello che abbiamo presentato ora, abbiamo già trovato osteociti precoci oltre agli osteoblasti".
