Nel mondo dell’ingegneria tissutale, la ricerca per replicare il design intricato e l’adattabilità dei tessuti naturali è in corso da decenni. Un aspetto chiave di questa sfida è comprendere e controllare le forze meccaniche alle quali le cellule sono sottoposte nel loro ambiente.
Le forze meccaniche, infatti, non solo sono imprescindibili il corretto funzionamento di molti organi e sistemi, ma incidono anche sulla crescita e sulla differenziazione cellulare.
Oggi, grazie al progresso scientifico, nuovi strumenti come le Matrici Extracellulari Attuate Magneticamente (MagMA) stanno aprendo scenari inediti in questo campo. Questa tecnologia innovativa permette di manipolare e controllare le forze meccaniche sui tessuti in maniera estremamente precisa. Le applicazioni di MagMA nell’ingegneria dei tessuti muscolari scheletrici sono già una realtà e promettono risultati entusiasmanti. Ma quali sono i vantaggi concreti offerti da questa tecnologia? E quali prospettive future si prefigurano nel campo dell’ingegneria tissutale grazie all’utilizzo di MagMA?
L’importanza delle forze meccaniche nei tessuti
I tessuti non sono per loro natura strutture rigide o isolate, ma devono possedere la flessibilità strutturale e funzionale di adattarsi al cambiare delle condizioni chimico-fisiche del contesto in cui operano.
Di conseguenza, un aspetto di particolare importanza è la comprensione di come i tessuti rispondono al variare delle forze biochimiche, elettriche e meccaniche che determinano i rapporti tra le componenti tissutali ed il loro funzionamento dinamico.
Mentre gli studiosi di fisiologia strutturale e funzionale hanno fatto notevoli progressi nella decodifica dei segnali biochimici ed elettrici nei sistemi multicellulari, il campo dei segnali meccanici è stato relativamente inesplorato.
Le Matrici Extracellulari Attuate Magneticamente: MagMA
Tuttavia, si profila all’orizzonte una scoperta rivoluzionaria che potrebbe cambiare il panorama dell’ingegneria tissutale e non solo: le matrici extracellulari attuate magneticamente, o MagMA.
Come descritto in un articolo pionieristico pubblicato sulla rivista “Device” Rios e colleghi hanno immaginato un substrato in grado di applicare dinamicamente forze meccaniche alle cellule, guidandone l’allineamento e il comportamento con precisione. Questo substrato ha la proprietà di influenzare l’anisotropia delle cellule, ossia le proprietà che le cellule organizzate nei tessuti mostrano in relazione alla direzione dello stimolo.
Il principio alla base del funzionamento di MagMA
Per comprendere il concetto di anisotropia, si pensi semplicemente a un tronco d’albero visto in sezione, con la sua successione di cerchi di accrescimento. Come è intuitivo, le risposte meccaniche a torsione e pressione saranno diverse se le applichiamo trasversalmente o longitudinalmente rispetto agli anelli del tronco.
Lo stesso principio si applica ai muscoli, che mostrano diverse proprietà e comportamenti strutturali e funzionali in base a come le cellule costituenti sono organizzate nel tessuto e a come lo stimolo meccanico viene applicato in termini di forza, direzione e variabilità nel tempo.
Secondo gli autori, MagMA – una piattaforma di attuazione magnetica pronta a rivoluzionare il campo dell’ingegneria tissutale – può influenzare il comportamento delle cellule e consentire la programmazione dell’anisotropia morfologica e funzionale all’interno dei tessuti, in particolare nei muscoli scheletrici.
Applicazioni di MagMA nell’ingegneria dei tessuti
Una delle possibili applicazioni di MagMA riguarda la programmazione dinamica dell’allineamento delle fibre muscolari. Nel contesto dell’ingegneria dei tessuti muscolari scheletrici, la capacità di controllare la direzionalità dell’allineamento delle fibre muscolari è fondamentale per una vasta gamma di applicazioni, dalla medicina rigenerativa alla robotica bioibrida. Utilizzando la stimolazione meccanica dinamica guidata da MagMA, i ricercatori possono infatti ottenere l’allineamento la contrattilità coordinata dei tessuti muscolari.
Le precedenti tecniche di ingegneria muscolare avevano limitazioni importanti rispetto all’ottenimento di tali proprietà di coordinamento. La programmazione delle proprietà e delle funzioni delle cellule poteva infatti avvenire solo al momento dell’impianto, e successivamente rimaneva inalterata senza alcuna possibilità di intervento correttivo se le condizioni in cui il tessuto operava cambiavano – come normalmente avviene nei tessuti umani. MagMA, al contrario, consente di regolare in tempo reale i parametri di stimolazione, consentendo ai ricercatori di modificare i modelli di allineamento delle cellule muscolari anche dopo l’impianto. Questo consentirà in prospettiva di avere soluzioni di più elevato valore e flessibilità in futuro.
Vantaggi e prospettive future di MagMA nell’ingegneria tissutale
Un significativo vantaggio di MagMA è inoltre la sua capacità di separare gli effetti meccanici e biochimici dell’esercizio muscolare. In passato, diversi studi hanno dimostrato che l’esercizio può portare a notevoli aumenti della forza muscolare e a modifiche nelle caratteristiche delle fibre. Al fine di ottenere tale risultato, nelle pratiche riabilitative si utilizzavano tecniche di stimolazione meccanica passiva per consentire il recupero della funzionalità muscolare dei pazienti.
Tuttavia, la ricerca di Rios e colleghi ha rivelato che la stimolazione meccanica da sola non è equivalente all’esercizio, suggerendo che effetti sinergici possono risultare dalla combinazione di stimolazione biochimica e meccanica. Questa scoperta apre la porta all’esplorazione degli effetti di MagMA in combinazione con altre forme di stimolazione, ampliando ulteriormente le possibilità dell’ingegneria tissutale.
Lo sviluppo di MagMA è quindi una vera rivoluzione nell’ingegneria tissutale. Con l’introduzione della stimolazione meccanica dinamica, questa piattaforma consente infatti il controllo in tempo reale dell’allineamento e del comportamento delle cellule nei tessuti creati artificialmente. Inoltre, la solidità e l’adattabilità della tecnologia la rende applicabile a una vasta gamma di tipi cellulari e caratteristiche chimiche degli idrogel, espandendone ulteriormente l’utilità.
Conclusioni
In conclusione, e pur tenendo presente la necessità di approfondire gli studi e di continuare a sviluppare modelli operativi sempre più vicini ai tessuti reali, la piattaforma MagMA è dunque potenzialmente un vero game-changer nel campo dell’ingegneria tissutale. La sua capacità di programmare l’anisotropia nei tessuti creati artificialmente, come i muscoli scheletrici, apre un mondo di possibilità per la medicina rigenerativa e la robotica bioibrida.
Mentre i ricercatori continuano ad esplorarne l’enorme potenziale di sviluppo e a perfezionarne le applicazioni rendendole sempre più solide e flessibili, possiamo quindi guardare al futuro con l’aspettativa di una nuova era nell’ingegneria tissutale che combina la precisione del controllo meccanico con la complessità dei sistemi biologici.
