Quando trattati con “molecole danzanti” – una nuova terapia che ha invertito la paralisi e riparato i tessuti in un precedente studio sugli animali – gli organoidi danneggiati hanno mostrato una significativa crescita dei neuriti, le lunghe estensioni dei neuroni che collegano le cellule tra loro. Anche i tessuti cicatriziali gliali degli organoidi danneggiati trattati sono diminuiti significativamente. Questi risultati danno ai ricercatori ulteriore speranza che il trattamento, che ha recentemente ottenuto la designazione di farmaco orfano dalla Food and Drug Administration (FDA) statunitense, possa migliorare i risultati per i pazienti con lesioni del midollo spinale. Lo studio è stato pubblicato l’11 febbraio sulla rivista Nature Biomedical Engineering.

“Uno degli aspetti più entusiasmanti degli organoidi è che possiamo utilizzarli per testare nuove terapie nei tessuti umani“, ha affermato Samuel I. Stupp della Northwestern University, autore senior dello studio e pioniere nei materiali autoassemblanti e nella medicina rigenerativa. “In assenza di una sperimentazione clinica, è l’unico modo per raggiungere questo obiettivo. Abbiamo deciso di sviluppare due diversi modelli di lesione in un organoide del midollo spinale umano e di testare la nostra terapia per vedere se i risultati assomigliavano a quelli precedentemente osservati nel modello animale. Dopo aver applicato la nostra terapia, la cicatrice gliale si è attenuata significativamente fino a diventare appena percettibile, e abbiamo visto i neuriti crescere, somigliando alla rigenerazione assonale che abbiamo osservato negli animali. Questa è la conferma che la nostra terapia ha buone probabilità di funzionare negli esseri umani“.

Rispetto alla sperimentazione di trattamenti su animali ed esseri umani, la sperimentazione sugli organoidi è più rapida e molto meno costosa. Mentre altri ricercatori hanno sviluppato organoidi umani per studiare gli aspetti fisiologici del midollo spinale, il modello di Stupp rappresenta un enorme passo avanti nella ricerca di trattamenti per lesioni umane devastanti e paralizzanti. Con un diametro di diversi millimetri, gli organoidi erano sufficientemente grandi e maturi per sviluppare il modello di lesione. Il team di Stupp ha coltivato organoidi del midollo spinale a partire da cellule staminali nel corso di mesi, consentendo loro di sviluppare caratteristiche complesse, tra cui neuroni e astrociti. Il team è stato anche il primo ad aggiungere la microglia – cellule immunitarie del sistema nervoso centrale – per simulare le risposte infiammatorie a lesioni traumatiche del midollo spinale. 

“È una specie di pseudo-organo”, ha detto Stupp. “Siamo stati i primi a introdurre la microglia in un organoide del midollo spinale umano, quindi è stato un risultato enorme. Significa che il nostro organoide contiene tutte le sostanze chimiche che il sistema immunitario residente produce in risposta a una lesione. Questo lo rende un modello più realistico e accurato di lesione del midollo spinale“.

Le molecole danzanti – Dopo aver sviluppato un organoide maturo del midollo spinale, Stupp e il suo team hanno voluto esaminare gli effetti delle lesioni e dei successivi trattamenti. Introdotta per la prima volta nel 2021, la terapia delle molecole danzanti sfrutta il movimento molecolare per invertire la paralisi e riparare i tessuti dopo lesioni traumatiche del midollo spinale. Fa parte della piattaforma di peptidi terapeutici supramolecolari (STP) del laboratorio Stupp, tecnologie che utilizzano grandi aggregati di 100.000 o più molecole per attivare i recettori cellulari utilizzando i segnali naturali dell’organismo per rigenerarsi e ripararsi. (Il concetto di terapie supramolecolari è utilizzato anche negli attuali farmaci GLP-1 per la perdita di peso e il diabete, un’area che il laboratorio di Stupp ha studiato quasi 15 anni fa.)

Iniettata sotto forma di liquido, la terapia delle molecole danzanti si lega immediatamente a una complessa rete di nanofibre che imita la matrice extracellulare del midollo spinale. Regolando con precisione il movimento collettivo, o “danza”, delle molecole all’interno delle nanofibre, il team di Stupp ha scoperto che la terapia si collega più efficacemente ai recettori cellulari in continuo movimento.

“Dato che le cellule stesse e i loro recettori sono in continuo movimento, si può immaginare che le molecole che si muovono più rapidamente incontrino questi recettori più spesso“, ha affermato Stupp nel 2021. “Se le molecole sono lente e non così ‘sociali’, potrebbero non entrare mai in contatto con le cellule”. 

Negli studi sugli animali, un’iniezione singola somministrata 24 ore dopo una lesione grave ha aiutato i topi a recuperare la capacità di camminare in sole quattro settimane. Rispetto alle iniezioni con molecole a movimento più lento, le formulazioni con movimento molecolare migliorato hanno mostrato una maggiore efficacia terapeutica, indicando una maggiore bioattività e una maggiore segnalazione cellulare.

Sperimentare una terapia rivoluzionaria – Per modellare le lesioni del midollo spinale, il team di Stupp ha indotto due tipi di lesioni comuni. I ricercatori hanno inciso alcuni degli organoidi con un bisturi per simulare una lacerazione, come una ferita chirurgica. Per altri organoidi, i ricercatori hanno applicato una contusione compressiva per simulare le ferite che potrebbero verificarsi in un grave incidente automobilistico o in una caduta ripida. Entrambe le lesioni hanno causato la morte delle cellule e la formazione di una cicatrice gliale, proprio come in una vera lesione del midollo spinale. “Siamo riusciti a distinguere tra gli astrociti che fanno parte del tessuto normale e gli astrociti della cicatrice gliale, che sono grandi e molto densamente raggruppati”, ha detto Stupp. “Abbiamo anche rilevato la produzione di proteoglicani condroitin solfato, molecole del sistema nervoso che rispondono a lesioni e malattie”. Dopo aver simulato lesioni, il team di Stupp ha testato l’efficacia delle molecole danzanti. Applicata agli organoidi lesionati, la terapia liquida si è trasformata in un gel, formando un’impalcatura. La terapia ha calmato l’infiammazione, ridotto le cicatrici gliali, favorito l’estensione dei neuriti e incoraggiato la crescita dei neuroni secondo schemi ordinati e organizzati. Un tipo di neurite, chiamato assone, viene spesso reciso durante una lesione del midollo spinale, interrompendo la rete di comunicazione tra i neuroni. Questa disconnessione provoca paralisi e perdita di sensibilità al di sotto del sito della lesione. La rigenerazione dei neuriti potrebbe ristabilire queste connessioni per prevenire o invertire queste conseguenze devastanti.

Il movimento – Stupp attribuisce il successo del trattamento al suo movimento sopramolecolare, ovvero alla capacità delle molecole di muoversi rapidamente o addirittura di fuoriuscire temporaneamente dalle nanofibre. Testare la terapia su organoidi sani non ha fatto altro che confermare l’intuizione di Stupp. “Prima ancora di sviluppare il modello di lesione, abbiamo testato la terapia su un organoide sano”, ha detto. “Le molecole danzanti hanno prodotto tutti questi lunghi neuriti sulla superficie dell’organoide, ma quando abbiamo usato molecole con meno movimento o senza movimento, non abbiamo visto nulla. Questa differenza era molto evidente.” Successivamente, il team di Stupp prevede di costruire organoidi ancora più avanzati per perfezionare ulteriormente il loro modello. Intendono anche sviluppare un organoide del midollo spinale umano che modelli lesioni croniche più vecchie, che in genere presentano tessuto cicatriziale più ostinato. Con ulteriori studi, Stupp ha affermato che i mini-midolli spinali del suo gruppo potrebbero essere utilizzati anche nella medicina personalizzata, creando tessuto impiantabile utilizzando le cellule staminali del paziente stesso per evitare il rigetto immunitario. Lo studio, intitolato “Lesioni e terapia nell’organoide del midollo spinale umano”, è stato sostenuto dal Center for Regenerative Nanomedicine della Northwestern University e ha ricevuto una donazione dalla famiglia John Potocsnak per la ricerca sulle lesioni del midollo spinale.