Capire meglio le malattie delle ossa fragili - senza test sugli animali

Per chi soffre di una malattia delle ossa fragili, la vita è una vera e propria giostra. Basta un piccolo passo falso, una caduta altrimenti innocua o un movimento sbagliato per rompersi 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.

Nella maggior parte dei casi, le ossa vetrose sono causate da mutazioni nel gene che trasporta le istruzioni per la costruzione della proteina collagene di tipo I. Questa è di gran lunga la proteina più importante. Questa è di gran lunga la proteina più importante per la costruzione della matrice ossea dura. A causa del difetto genetico, la proteina del collagene non può ripiegarsi correttamente nelle persone colpite, rendendo la matrice ossea instabile e le ossa fragili. La malattia delle ossa fragili è quindi ufficialmente nota come osteogenesi imperfetta, o "formazione ossea imperfetta", abbreviata in OI.

Scaffold realizzato con una matrice porosa

Come esattamente le mutazioni nella proteina 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 dell'ETH 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 dell'ETH di Zurigo, ha sviluppato un modello 3D in vitro con il quale può 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'edizione attuale della rivista scientifica pagina esternaComunicazioni su Nature.

La base del nuovo modello osseo è una matrice porosa - una sorta di impalcatura - fatta di 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 dei precursori ossei "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 osseo, ma anche per il rimodellamento osseo, 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 anche le cellule nei pori delle ossa sane.

Un modello si avvicina alla normale formazione dell'osso

Come riferiscono ora i ricercatori, il loro modello osseo con matrice idrogel degradabile e stimolazione meccanica può imitare bene lo sviluppo osseo. Gli osteoblasti si moltiplicano, alcuni si differenziano addirittura in osteociti precoci - che costituiscono il 90% delle cellule dell'osso sano -, secernono collagene e possono mineralizzare la matrice. "Il modello è stato brevettato e sarà deciso di metterlo a disposizione di potenziali partner industriali interessati", spiega Zauchner.

Il nuovo modello in vitro su chip presenta numerosi vantaggi rispetto ai precedenti modelli di formazione ossea. Nei modelli precedenti, i pori erano o troppo stretti, per cui le cellule non potevano muoversi, o troppo larghi, per cui non si poteva 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 in modelli animali. Secondo Zauchner, ne esistono più di 20, con 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 affetto da OI presso l'Ospedale pediatrico di Zurigo.

Il progetto OI fa parte del programma pagina esternaProgramma nazionale di ricerca "Advancing 3R. Il suo obiettivo è studiare come l'approccio 3R - 3R sta per replace, reduce and refine animal experiments - possa essere avanzato.

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. In un altro progetto, per il quale Qin ha recentemente ricevuto un prestigioso ERC Starting Grant, l'attenzione si concentra su un modello per le malattie degenerative delle ossa come l'osteoporosi. Questo progetto si concentra sugli osteociti, cioè sulle cellule ossee differenziate. "Vogliamo utilizzare queste reti tridimensionali di cellule umane per creare un modello in vitro di sviluppo osseo", spiega Qin. Dopotutto, nessuno è mai riuscito a farlo prima, tranne forse il suo team: "Nel nostro modello ora presentato, abbiamo già trovato osteociti precoci oltre agli osteoblasti".