Microrobot biologici, grandi solo pochi micrometri, sono riusciti a stimolare la rigenerazione del midollo spinale in zebrafish e topi affetti da gravi lesioni, permettendo il recupero delle funzioni motorie e la ricostruzione delle connessioni nervose danneggiate. Lo studio, pubblicato sulla rivista Nature Materials da un team di ricercatori dell’ETH di Zurigo e dell’Università di Zurigo, apre nuove prospettive per la medicina rigenerativa e potrebbe contribuire allo sviluppo di future terapie meno invasive per le lesioni del sistema nervoso centrale.
Le lesioni del midollo spinale rappresentano una delle sfide più complesse della neurologia moderna. Quando le fibre nervose vengono danneggiate, infatti, la capacità di rigenerazione dell’organismo è estremamente limitata e la formazione di tessuto cicatriziale rende ancora più difficile il ripristino delle connessioni nervose. Sebbene negli ultimi anni siano state sperimentate diverse strategie basate sulle cellule staminali, la scarsa sopravvivenza delle cellule trapiantate e la necessità di procedure invasive hanno finora limitato il successo di questi approcci.
Per affrontare il problema, il gruppo coordinato da Salvador Panè i Vidal ha sviluppato una nuova classe di microrobot bioibridi chiamati NPCbots. Questi dispositivi combinano cellule progenitrici neurali ottenute da cellule staminali pluripotenti indotte con speciali nanoparticelle magnetoelettriche.
Le cellule costituiscono la componente biologica destinata a trasformarsi in nuovi neuroni, mentre le nanoparticelle consentono il controllo remoto del sistema. La loro struttura comprende uno strato interno sensibile ai campi magnetici e uno esterno capace di convertire tali stimoli in segnali elettrici. In questo modo è possibile influenzare il comportamento cellulare senza ricorrere all’impianto di elettrodi o altri dispositivi invasivi.
Come funzionano gli NPCbots
“Volevamo sviluppare una tecnologia precisa, minimamente invasiva e capace di interagire direttamente con il tessuto biologico”, spiega Hao Ye, primo autore dello studio e ricercatore senior dell’ETH Zurigo.
I microrobot vengono assemblati in mini-laboratori su chip grandi circa un centimetro quadrato. In appena trenta minuti cellule e nanoparticelle si organizzano spontaneamente formando strutture bioibride di circa sei micrometri, pronte per l’utilizzo sperimentale.
I primi test sono stati condotti su larve di zebrafish con lesioni spinali. Dopo l’iniezione degli NPCbots e l’applicazione di campi elettromagnetici esterni, le cellule hanno iniziato rapidamente a differenziarsi in nuove cellule nervose. Nel giro di tre giorni gli animali hanno recuperato quasi completamente i normali comportamenti di nuoto ed esplorazione.
I risultati più significativi sono però arrivati dagli esperimenti sui topi, una specie che non possiede una naturale capacità di rigenerazione del midollo spinale. Utilizzando modelli con lesioni complete, i ricercatori hanno monitorato l’evoluzione per quattro settimane.
Recupero delle funzioni motorie
Dopo 28 giorni le analisi hanno mostrato la ricostituzione delle connessioni nervose nella zona lesionata. Parallelamente, gli animali hanno evidenziato miglioramenti significativi nella deambulazione, nella coordinazione motoria e nelle attività esplorative.
Secondo gli autori, il successo della tecnica deriva dalla capacità delle nanoparticelle di trasformare i campi magnetici in impulsi elettrici direttamente all’interno del tessuto nervoso. Questo processo favorisce la maturazione delle cellule trapiantate in neuroni funzionali.
“Il controllo microrobotico rende il trattamento più preciso e meno invasivo”, sottolinea Hao Ye. “I campi magnetici attraversano facilmente i tessuti e possono essere regolati senza la necessità di impiantare dispositivi permanenti”.
Una volta completata la loro funzione, gli NPCbots tendono a dissolversi progressivamente nel tessuto. Le nanoparticelle rivestite in titanio di bario si sono dimostrate stabili e poco reattive, anche se saranno necessari ulteriori studi per chiarire il loro destino nell’organismo a lungo termine.
Il passaggio alla sperimentazione clinica richiederà ancora anni di ricerca. Sarà infatti necessario definire i parametri ottimali dei campi magnetici, verificarne la sicurezza nell’uomo e superare le procedure regolatorie previste per le nuove terapie. Tuttavia, secondo i ricercatori, questa tecnologia potrebbe trovare applicazione anche in altri ambiti, dalla cardiologia all’oncologia, fino alla guarigione delle ferite e ad altre forme di medicina rigenerativa.
“La produzione di questi microrobot è riproducibile e facilmente scalabile”, conclude Panè i Vidal. “La piattaforma potrà essere adattata a numerose applicazioni biomediche del futuro”.
Foto di Ivan S: https://www.pexels.com/it-it/foto/mani-penna-alla-ricerca-medico-4989186/
