2.5 Incapsulamento cellulare
L’incapsulamento cellulare o la capacità dei biomateriali di trattenere le cellule per il trapianto è fondamentale per la sopravvivenza delle cellule trapiantate e per i loro effetti terapeutici. Oltre all’attaccamento cellulare alla superficie del biomateriale, anche la sospensione cellulare in idrogel 3D è una strategia praticabile. I biomateriali che vengono comunemente trasformati in idrogel includono collagene, fibrina, acido ialuronico (HA), chitosano, alginato e poli(glicole etilenico) (PEG) (Ford et al., 2006; Hatami et al., 2009; McCreedy et al., 2014; Mosahebi et al., 2003; Thompson et al., 2018; Zahir et al., 2008). Negli ultimi anni, gli idrogel hanno attirato molta attenzione come matrice interna per il condotto di guida del nervo. Gli idrogel possono anche essere utilizzati come scaffold stand-alone, in particolare per SCI poiché le loro proprietà meccaniche corrispondono strettamente all’ECM del midollo spinale nativo (Macaya e Spector, 2012; Madigan et al., 2009). Confrontando diverse macro-architetture utilizzate per SCI, è stato dimostrato che i progetti a percorso aperto hanno funzionato meglio dei progetti chiusi, come cilindro, tubo e multicanale, che hanno influito negativamente sul tessuto circostante, raddoppiando la lunghezza del difetto (Wong et al., 2008). Considerando che il midollo spinale ha entrambe le connessioni longitudinali(cioè tratto spinocerebellare, tratto corticospinale ecc.), così come le connessioni laterali tra diversi tipi di interneuroni e motoneuroni, è preferibile l’estensione del neurite verso tutte le direzioni (Friedman et al., 2002; Kiehn e Butt, 2003). Le proprietà intrinseche degli idrogel, come l’essere macroporosi e morbidi, consentono scambi di molecole, adesione cellulare e migrazione che potrebbero potenzialmente essere benefiche per la rigenerazione neuronale (Macaya e Spector, 2012; Madigan et al., 2009; Novikova et al., 2006; Xie et al., 2009; Yuan et al., 2004). Un altro importante vantaggio degli idrogel è la loro iniettabilità. I materiali iniettabili possono facilmente conformarsi alla forma della cavità della lesione in SCI. Ciò evita la necessità di accomodare le impalcature con la geometria definita, che può comportare la rimozione del tessuto sano intorno al sito della lesione. Il materiale iniettabile deve solidificarsi in condizioni fisiologiche, di solito in pochi minuti, per mantenere l’incapsulamento delle cellule trapiantate.
È necessario considerare diversi parametri di progettazione per gli idrogel utilizzati come piattaforme di consegna delle cellule (Macaya e Spector, 2012; Shoichet et al., 2007). Come discusso in precedenza, la porosità, la resistenza meccanica e il tasso di degradazione sono parametri di progettazione importanti per i biomateriali. Il tempo per la gelificazione è anche fondamentale per il trapianto di cellule. Generalmente, un processo relativamente rapido di gelazione o reticolazione in condizioni lievi è preferito per mantenere la localizzazione delle cellule incapsulate e / o agenti terapeutici e per evitare ulteriori danni al sito della lesione. Poiché la maggior parte degli idrogel si incrocia attraverso trigger chimici o fisici, le cellule trapiantate devono essere in grado di sopravvivere in queste condizioni. Il crosslinker chimico può essere citotossico, mentre i trigger fisici possono comportare lo spostamento delle cellule in condizioni non fisiologiche (temperatura, pH) che non sono favorevoli alla loro sopravvivenza. Gli iniziatori chimici e i reticolatori necessari per la formazione di idrogel non devono avere un impatto negativo sulle popolazioni cellulari trapiantate. Soprattutto per idrogel iniettabili, i crosslinker chimici di solito non possono essere lavati via in vivo o estiguuti prima dell’impianto. I metodi di reticolazione chimica comuni includono la polimerizzazione foto-iniziata, la reticolazione enzimatica e molecolare. Le polimerizzazioni foto-iniziate spesso implicano l’uso di luce ultravioletta (UV) con una molecola di foto-iniziatore. Mentre questo metodo consente una rapida gelificazione, la luce UV e il foto-iniziatore possono indurre apoptosi (Hynes et al., 2007). Per gli idrogel reticolati enzimatici, gli effetti degli enzimi sui tipi di cellule trapiantate devono essere considerati e studiati (Yang et al., 2016). I crosslinker molecolari presentano il vantaggio del modulo di taglio fine-tuning e del tasso di degradazione (Sundararaghavan et al., 2008); tuttavia, possono anche essere citotossici a seconda della concentrazione e dei tipi di cellule incapsulate (Barker et al., 1980; Liang et al., 2003). Le strategie di reticolazione fisica comuni includono la temperatura, la reticolazione ionica e i sistemi di autoassemblaggio. Il vantaggio dei trigger fisici è che spesso possono verificarsi in soluzioni acquose. Parametri importanti da considerare sono drastici cambiamenti di temperatura e pH che possono indurre la morte cellulare (Gillette et al., 2008; Wang et al., 2008). Una classe importante di idrogel di autoassemblaggio è l’idrogel che assottiglia il taglio. I requisiti chiave per gli idrogel di diradamento del taglio sono la capacità di fluire sotto pressione modesta, gelare rapidamente dopo l’iniezione e mantenere una resistenza meccanica sufficiente durante il processo di impianto. La gelificazione lenta può provocare la sedimentazione delle cellule e dei farmaci trapiantati. È importante sottolineare che i metodi di reticolazione fisica spesso provocano idrogel deboli con moduli che vanno da decine a centinaia di Pa. Questo intervallo corrisponde alla resistenza meccanica del midollo spinale, che li rende adatti per la riparazione SCI. Tuttavia, tale resistenza meccanica potrebbe non essere sufficiente per la riparazione PNI.
Un altro potenziale problema con l’utilizzo di idrogel è se gli assoni rigeneranti e le cellule di supporto possono rimodellare efficacemente gli idrogel per essere un ambiente permissivo di crescita. Studi precedenti utilizzando idrogel hanno dimostrato che la rigenerazione del nervo periferico a lungo termine per difetto sub-critico nei topi (5 mm) è stata compromessa a causa dell’impedimento fisico posto dagli idrogel solidi (Madison et al., 1987; Valentini et al., 1987). Ciò potrebbe evidenziare l’importanza del rimodellamento della matrice utilizzando proteasi, come la metalloproteinasi della matrice (MMP) 9, per una rigenerazione efficiente (Nordstrom et al., 1995; Shubayev e Myers, 2004). Ulteriori studi hanno esplorato gli effetti della composizione della matrice di collagene sulla differenziazione ESC murina. Nello specifico, la concentrazione di collagene influisce sulla capacità dei corpi embrioidi provenienti da ESC, di differenziarsi all’interno dell’impalcatura (Battista et al., 2005). Ad alte concentrazioni di collagene, le cellule non potevano migrare e diventavano apoptotiche, indicando una concentrazione ottimale di matrice per la migrazione cellulare e il contatto cellula–cellula è necessario per la sopravvivenza e la differenziazione delle cellule staminali.
