Messo a punto un nuovo biomateriale capace di rigenerare la cartilagine danneggiata nelle articolazioni

Componente cruciale delle articolazioni, la cartilagine è notoriamente difficile da riparare. Gli scienziati della Northwestern University hanno sviluppato un nuovo materiale bioattivo che è riuscito a rigenerare con successo la cartilagine di alta qualità nelle articolazioni del ginocchio di un modello animale di grandi dimensioni.

Il nuovo materiale comprende peptidi, proteine ​​e polisaccaridi che imitano la microstruttura della cartilagine naturale. Entro sei mesi, i ricercatori hanno osservato una nuova crescita della cartilagine. Sebbene sembri una sostanza gommosa, in realtà il materiale è costituito da una complessa rete di componenti molecolari che lavorano insieme per imitare l’ambiente naturale della cartilagine nel corpo.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno applicato il materiale alla cartilagine danneggiata nelle articolazioni del ginocchio degli animali. In soli sei mesi, i ricercatori hanno osservato prove di una riparazione migliorata, tra cui la crescita di nuova cartilagine contenente i biopolimeri naturali (collagene II e proteoglicani), che consentono una resilienza meccanica senza dolore nelle articolazioni.

Con ulteriori studi, affermano i ricercatori, un giorno il nuovo materiale potrebbe potenzialmente essere utilizzato per prevenire interventi di sostituzione completa del ginocchio, curare malattie degenerative come l’osteoartrite e riparare infortuni sportivi come le rotture del legamento crociato anteriore.

Lo studio sarà pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.

Pioniere della nanomedicina rigenerativa, Stupp è professore del Board of Trustees di scienza e ingegneria dei materiali, chimica, medicina e ingegneria biomedica alla Northwestern, dove è direttore fondatore del Simpson Querrey Institute for BioNanotechnology e del suo centro affiliato, il Center for Regenerative Nanomedicine. Stupp ha incarichi presso la McCormick School of Engineering, il Weinberg College of Arts and Sciences e la Feinberg School of Medicine. Jacob Lewis, ex studente di dottorato nel laboratorio di Stupp, è il primo autore del documento.

Il nuovo studio segue un lavoro pubblicato di recente dal laboratorio Stupp, in cui il team ha utilizzato “molecole danzanti” per attivare le cellule della cartilagine umana per aumentare la produzione di proteine ​​che costruiscono la matrice tissutale. Invece di utilizzare molecole danzanti, il nuovo studio valuta un biomateriale ibrido sviluppato anch’esso nel laboratorio di Stupp. Il nuovo biomateriale comprende due componenti: un peptide bioattivo che si lega al fattore di crescita trasformante beta-1 (TGFb-1), una proteina essenziale per la crescita e il mantenimento della cartilagine, e acido ialuronico modificato, un polisaccaride naturale presente nella cartilagine e nel liquido sinoviale lubrificante delle articolazioni.

Il team di Stupp ha integrato il peptide bioattivo e le particelle di acido ialuronico modificate chimicamente per guidare l’auto-organizzazione delle fibre in nanoscala in fasci che imitano l’architettura naturale della cartilagine. L’obiettivo era creare un’impalcatura attraente per le cellule del corpo per rigenerare il tessuto cartilagineo. Utilizzando segnali bioattivi nelle fibre in nanoscala, il materiale incoraggia la riparazione della cartilagine da parte delle cellule, che popolano l’impalcatura.

Per valutare l’efficacia del materiale nel promuovere la crescita della cartilagine, i ricercatori lo hanno testato su pecore con difetti della cartilagine nell’articolazione del ginocchio, un’articolazione complessa negli arti posteriori simile al ginocchio umano.  Proprio come gli esseri umani, la cartilagine di pecora è ostinata e incredibilmente difficile da rigenerare. Anche le ginocchia delle pecore e quelle umane presentano somiglianze in termini di portata del peso, dimensioni e carichi meccanici.

Nello studio, i ricercatori hanno iniettato il materiale denso e pastoso nei difetti della cartilagine, dove si è trasformato in una matrice gommosa. Non solo è cresciuta nuova cartilagine per riempire il difetto man mano che l’impalcatura si degradava, ma il tessuto riparato era costantemente di qualità superiore rispetto al controllo.

In futuro, Stupp immagina che il nuovo materiale potrebbe essere applicato alle articolazioni durante interventi chirurgici a articolazione aperta o artroscopici. L’attuale standard di cura è la chirurgia di microfrattura, durante la quale i chirurghi creano piccole fratture nell’osso sottostante per indurre la crescita di nuova cartilagine.

Jacob A. Lewis, Brett Nemke, Yan Lu, Nicholas A. Sather, Mark T. McClendon, Michael Mullen, Shelby C. Yuan, Sudheer K. Ravuri, Jason A. Bleedorn, Marc J. Philippon, Johnny Huard, Mark D. Markel, Samuel I. Stupp. A bioactive supramolecular and covalent polymer scaffold for cartilage repair in a sheep model. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024; 121 (33) DOI: 10.1073/pnas.2405454121