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ARGOMENTO: BIOLOGIA
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: INNOVAZIONE
parole chiave: Alghe
L’apparato muscolo-scheletrico è composto dall’insieme di ossa, articolazioni e muscoli, che costituiscono circa il 40% della massa corporea umana e svolgono un ruolo fondamentale nel movimento, nel metabolismo e nel mantenimento dell’omeostasi sistemica. La sua formazione avviene naturalmente attraverso la differenziazione dei mioblasti ovvero di cellule staminali muscolari embrionali che danno origine alle cellule muscolari mature (chiamate miociti) durante lo sviluppo. Sebbene i mioblasti siano cruciali per la crescita durante la fase embrionale, in seguito sono coinvolti anche nella riparazione dei muscoli danneggiati.
Il sogno di poterli ricreare attraverso tecniche di bio-fabbricazione è sempre stato visto come un sogno fantascientifico. Oggigiorno le nuove tecnologie stanno dimostrando che è possibile fornire ai mioblasti un microambiente favorevole alla miogenesi, integrato da stimoli appropriati, per progettare costrutti muscolari scheletrici con caratteristiche strutturali simili alle fibre muscolari raggruppate del tessuto nativo. In particolare, sono in grado di riprodurre una delle funzioni più critiche: la contrazione dei muscoli controllata esternamente. I nuovi approcci hanno consentito lo sviluppo di tessutiti muscolari, sia biologici che bioibridi, con diverse applicazioni nell’ingegneria tissutale, nella robotica bioibrida, ma anche nella produzione di carne coltivata e nei modelli di test farmacologici.
Nonostante questi progressi, lo sviluppo di questi tessuti muscolari scheletrici ingegnerizzati su microscala devono ancora soddisfare le esigenze delle applicazioni pratiche a causa delle loro dimensioni limitate, per cui la loro creazione su larga scala è considerata un obiettivo importante nel settore medico. Il problema maggiore è replicare il complesso ambiente meccanico del tessuto muscolare per ottenere delle disposizioni allineate delle miofibre per la formazione di fasci di fibre muscolari con proprietà funzionali. I primi tentativi hanno utilizzato la stimolazione statica che ha dimostrato di produrre forza misurabile. Al fine di avvicinarsi maggiormente a delle condizioni fisiologiche, i ricercatori hanno sviluppato metodi di stimolazione dinamica che ne hanno ulteriormente migliorato la contrattilità e la forza del muscolo scheletrico; in pratica modificando geneticamente i mioblasti per consentire il controllo della contrazione muscolare attraverso una stimolazione luminosa.
Sebbene queste tecnologie siano promettenti, non consentono ancora di superare i limiti intrinseci di questi tessuti muscolari ingegnerizzati a causa dell’insufficiente apporto di ossigeno e di nutrienti dovuto all’assenza di sistemi vascolari e immunitari presenti nei muscoli nativi. Questo perchè l’inserimento di canali di perfusione o di reti vascolari per facilitare il trasporto di ossigeno e nutrienti all’interno dei tessuti ingegnerizzati è ancora estremamente complesso.
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Ma un aiuto potrebbe venire dalle alghe
In un recente studio è stata presentata una nuova tecnica che sfrutta una microalga verde fotosintetica unicellulare Chlamydomonas reinhardtii (C. reinhardtii) – vedi sopra), nota per la sua biocompatibilità e sostenibilità. La C. reinhardtii è un’alga eucariota unicellulare molto comune nelle acque dolci ma anche nel suolo, dalle dimensioni di circa 10 µm di diametro, che si muove servendosi di due flagelli. Non si tratta di una novità in quanto le microalghe hanno dimostrato di essere uno strumento promettente nelle applicazioni biomediche e nei sistemi bioibridi.
Ad esempio microrobot bioibridi, basati su microalghe, sono stati utilizzati per migliorare l’efficacia della terapia fotodinamica, alleviando l’ipossia nei tumori e regolando le malattie infiammatorie intestinali. Inoltre, uno studio ha dimostrato che microalghe, incorporate in un modello stampato tridimensionale, siano in grado di rilasciare ossigeno, migliorando la vitalità cellulare di componenti cellulari di mammifero. In particolare, è stato dimostrato che è possibile co-coltivare cellule di mammiferi con microalghe, formando tessuti muscolari più spessi. Sulla base di queste intuizioni, sono stati sviluppati muscoli potenziati da queste microalghe, ottenuti integrando strutture muscolari con C. reinhardtii, di fatto sfruttandone la loro attività fotosintetica (Fig. 1 da studio citato).
Fig. 1 i mioblasti (C2C12) sono miscelati con alghe C. reinhardtii in una matrice di idrogel. Questa miscela viene poi versata in uno stampo per creare un costrutto muscolare a forma di anello. Il costrutto ad anello è stato trasferito su un’impalcatura elastica per fornire stimoli di allungamento al costrutto. Sotto l’esposizione alla luce, le microalghe incorporate hanno rilasciato ossigeno e fornito nutrienti al muscolo attraverso la fotosintesi da https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw5786
Senza fare affidamento sulla stimolazione meccanica dinamica, il MAM ha superato il muscolo privo di microalghe, dimostrando una migliore contrattilità ed una maggiore generazione di forza. Inoltre, ha mostrato una maggiore vitalità cellulare e un ridotto danno tissutale. Questi miglioramenti sono stati attribuiti alla capacità delle microalghe di ottimizzare il microambiente cellulare fornendo ossigenazione in situ e rilasciando nutrienti essenziali. Il microambiente cellulare ottimizzato ha ulteriormente migliorato l’allineamento delle fibre muscolari in via di formazione, che si creano durante lo sviluppo embrionale (miogenesi) proprio dalla fusione di molte cellule progenitrici (mioblasti). Inoltre, sembrerebbe abbia alterato le dinamiche di differenziazione con conseguente sviluppo di un muscolo scheletrico più forte e vitale.
In sintesi, secondo lo studio, oltre ad interventi esterni come la stimolazione meccanica del muscolo scheletrico o la perfusione artificiale di nutrienti, l’incorporazione di microalghe nel muscolo potrebbe essere una strategia promettente per migliorare la contrattilità e la vitalità del muscolo ingegnerizzato. Essendo un microrganismo fotosintetico classificato come “generalmente riconosciuto come sicuro”, il C. reinhardtii presenta rischi minimi per l’uomo e la sua applicazione per l’assistenza sanitaria umana sembrerebbe molto promettente.
Studi futuri potrebbero estendere questa strategia ad altri tipi di cellule, come i cardiomiociti, e consentire l’ingegnerizzazione di tessuti muscolari funzionali e la loro integrazione con altre tecniche avanzate di bio-fabbricazione. Il muscolo potenziato da microalghe potrebbe essere quindi combinato con canali di perfusione e reti vascolari per migliorare ulteriormente l’apporto di nutrienti e consentire il loro impiego su costrutti muscoloscheletrici più spessi e più grandi.
Riferimento
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw5786
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