Costruire tessuti e organi artificiali in laboratorio è una delle grandi sfide della medicina rigenerativa. Non basta far crescere cellule in una struttura ordinata: perché un tessuto funzioni davvero, deve ricevere ossigeno e nutrienti. E per farlo servono vasi sanguigni, soprattutto una rete di capillari molto sottili e ben distribuiti.
Il problema è che i capillari sono strutture microscopiche. Alcuni possono misurare circa 0,005 millimetri, cioè decine di volte meno dello spessore di un capello umano. Sono così stretti che i globuli rossi li attraversano quasi in fila indiana.
Riprodurre in laboratorio una rete così fine, ordinata e capace di portare sangue nei punti giusti è complesso. Senza una vascolarizzazione adeguata, anche un tessuto artificiale molto promettente rischia di non sopravvivere o di non funzionare dopo un eventuale impianto.
Il nuovo approccio del MIT
Un gruppo di ricercatori guidato dal MIT ha pubblicato su PNAS uno studio che descrive un modo più preciso per controllare la crescita dei vasi sanguigni artificiali. La tecnica non si basa solo su segnali chimici, come fattori di crescita o sostanze nutrienti, ma su forze fisiche applicate alle cellule.
L’idea è far crescere un vaso sanguigno in un piccolo dispositivo, un chip, e poi usare campi magnetici per esercitare una trazione controllata. In questo modo i ricercatori possono “tirare” delicatamente il tessuto e osservare come la rete vascolare risponde.
Secondo Ritu Raman, ingegnera meccanica del MIT e coautrice dello studio, i tessuti sani dipendono da reti vascolari organizzate, ma i metodi attuali non permettono ancora di costruirle con sufficiente controllo. Programmare la crescita dei vasi attraverso stimoli fisici potrebbe rendere più riproducibile la fabbricazione di tessuti artificiali.
Un vaso su chip, cellule endoteliali e collagene
Il sistema sviluppato dai ricercatori è un “blood vessel on a chip”, cioè un modello miniaturizzato di vaso sanguigno. All’interno del dispositivo sono state usate cellule endoteliali umane, le cellule che rivestono internamente i vasi, inserite in un gel ricco di collagene.
Il collagene è una proteina strutturale fondamentale nel corpo umano e offre alle cellule un ambiente in cui aderire, organizzarsi e crescere. Nel gel è stato inserito anche un piccolo magnete. All’esterno del chip, altri magneti controllati in tre dimensioni permettono di muovere e deformare il sistema.
In pratica, modificando l’intensità e la direzione della forza magnetica, i ricercatori possono stimolare il vaso principale e osservare la formazione di nuovi rami più piccoli, simili a capillari.
Lo stretching che guida la crescita dei capillari
Il risultato principale è che una trazione meccanica ripetuta sembra favorire la nascita di nuovi vasi. Quando il vaso principale veniva lasciato fermo, alcuni capillari si formavano comunque, ma in modo più casuale. Quando invece veniva sottoposto a stiramenti controllati, la crescita risultava più marcata e orientabile.
I ricercatori hanno osservato anche che cambiando la forza dello stimolo si poteva influenzare il risultato. Con una deformazione pari al 5% della larghezza del gel, si formavano più nuovi vasi. Con uno stiramento del 15%, i capillari erano meno numerosi, ma tendevano a crescere più lunghi.
Ancora più interessante è il controllo della direzione: cambiando il verso dello stiramento, anche i nuovi vasi tendevano a seguire il percorso indicato dalla stimolazione meccanica. È questo il punto che rende il metodo promettente per l’ingegneria tissutale: non solo far crescere vasi, ma decidere meglio dove e come farli crescere.
Perché non bastano i segnali chimici
La formazione di nuovi vasi sanguigni si chiama angiogenesi. È un processo naturale, importante nello sviluppo, nella guarigione dei tessuti e in molti fenomeni biologici. In laboratorio, però, riprodurlo con precisione è difficile.
Finora i ricercatori hanno provato a guidare la crescita dei vasi usando segnali chimici, come fattori di crescita distribuiti nel materiale. Il limite è che questi segnali non sempre permettono un controllo molto fine. Possono favorire la formazione dei vasi, ma non bastano per costruire una rete organizzata come quella necessaria in un tessuto complesso.
Il metodo del MIT aggiunge un altro livello di controllo: le cellule non rispondono solo alla chimica, ma anche alla meccanica. Nel corpo, infatti, i tessuti sono continuamente sottoposti a pressioni, tensioni, movimenti e flussi. Usare questi segnali fisici in laboratorio significa imitare meglio l’ambiente reale in cui le cellule vivono.
Il ruolo del gene PIEZO1
Il gruppo ha studiato anche il possibile meccanismo biologico alla base di questa risposta. L’attenzione si è concentrata su PIEZO1, un gene legato a canali ionici sensibili alla pressione meccanica.
Questi canali funzionano come piccoli “interruttori” sulla membrana delle cellule: si aprono o si chiudono in risposta a stimoli fisici, regolando l’ingresso e l’uscita di ioni. In questo modo aiutano la cellula a percepire e tradurre una forza meccanica in una risposta biologica.
Quando i ricercatori hanno usato cellule modificate per ridurre l’attività di PIEZO1, la formazione di nuovi vasi è diminuita. Questo suggerisce che l’attivazione di questi canali abbia un ruolo importante nella crescita indotta dallo stiramento.
A cosa potrebbe servire questa tecnica
La prospettiva più ampia riguarda la possibilità di costruire tessuti artificiali più vicini a quelli reali. Muscoli, pelle, organi miniaturizzati per la ricerca, modelli di malattia e, un giorno, tessuti impiantabili hanno tutti bisogno di una rete vascolare efficiente.
Il team sta già studiando come questa crescita controllata dei vasi possa migliorare la funzione dei tessuti muscolari artificiali. È un passaggio coerente: il muscolo consuma energia, richiede ossigeno e dipende in modo stretto dal rifornimento di sangue.
Per ora, però, siamo ancora in una fase sperimentale. Il sistema mostra che è possibile controllare meglio la crescita vascolare in laboratorio, ma non significa che organi artificiali completi e pronti per l’impianto siano dietro l’angolo. Prima bisognerà capire se questi vasi riescono a sostenere un flusso sanguigno stabile, se si integrano con tessuti più grandi e se possono funzionare in condizioni più simili a quelle del corpo umano.
Fonti
PNAS - 4D force patterning enables spatial control of angiogenesis
