Microrobot guidati da magneti riparano il midollo spinale

AGI - Minuscoli robot biologici grandi appena pochi millesimi di millimetro sono riusciti a favorire la rigenerazione del midollo spinale in zebrafish e topi con lesioni gravi, consentendo il recupero delle funzioni motorie e la ricrescita delle connessioni nervose. Il risultato, pubblicato su Nature Materials da ricercatori dell'ETH e dell'Università di Zurigo, apre una nuova prospettiva per la medicina rigenerativa e potrebbe in futuro portare allo sviluppo di trattamenti meno invasivi per le lesioni del sistema nervoso centrale. Le lesioni del midollo spinale rappresentano una delle condizioni neurologiche più difficili da trattare.

Quando le fibre nervose vengono danneggiate, la capacità naturale di rigenerazione è molto limitata e la formazione di tessuto cicatriziale ostacola ulteriormente la ricostruzione delle connessioni. Negli ultimi anni diverse strategie hanno tentato di utilizzare cellule staminali per favorire la riparazione, ma la sopravvivenza delle cellule trapiantate e la necessità di sistemi di stimolazione invasivi hanno limitato i risultati clinici.

Per superare questi ostacoli, il gruppo guidato da Salvador Panè i Vidal ha sviluppato una nuova generazione di microrobot bioibridi denominati NPCbots. Ogni dispositivo combina cellule progenitrici neurali derivate da cellule staminali pluripotenti indotte con nanoparticelle magnetoelettriche appositamente progettate.

Le cellule rappresentano la componente biologica destinata a trasformarsi in nuovi neuroni, mentre le nanoparticelle costituiscono il motore tecnologico del sistema. Le nanoparticelle sono formate da due strati distinti: uno interno sensibile ai campi magnetici e uno esterno capace di convertire gli stimoli magnetici in segnali elettrici. In questo modo i ricercatori possono controllare a distanza il comportamento delle cellule senza impiantare elettrodi o cavi all'interno del tessuto nervoso.

Come funzionano

"Volevamo sviluppare un sistema che fosse allo stesso tempo preciso, minimamente invasivo e capace di dialogare direttamente con il tessuto biologico", spiega Hao Ye, primo autore dello studio e ricercatore senior dell'ETH Zurigo. I microrobot vengono prodotti in laboratori miniaturizzati su chip della dimensione di un centimetro quadrato. In circa trenta minuti le cellule e le nanoparticelle si assemblano formando strutture bioibride di circa sei micrometri, pronte per essere utilizzate negli esperimenti.

Per verificare l'efficacia della tecnologia, gli autori hanno inizialmente utilizzato larve di zebrafish con lesioni del midollo spinale. Dopo l'iniezione degli NPCbots nella zona danneggiata e l'applicazione di campi elettromagnetici esterni, le cellule hanno iniziato rapidamente a differenziarsi in nuove cellule nervose. Nel giro di appena tre giorni gli animali mostravano comportamenti di nuoto e di esplorazione quasi normali. Il risultato più importante è arrivato pero' dai test sui topi. In questi animali il midollo spinale non possiede normalmente la capacità di rigenerarsi spontaneamente. I ricercatori hanno utilizzato modelli con sezione completa del midollo e hanno osservato l'evoluzione per quattro settimane.

I risultati

Dopo 28 giorni le fibre nervose risultavano nuovamente connesse nella zona della lesione e gli animali mostravano un significativo miglioramento della deambulazione, della coordinazione motoria e dell'attività esplorativa. Secondo gli autori, il successo della tecnica dipende soprattutto dalla capacità delle nanoparticelle di trasformare gli stimoli magnetici in impulsi elettrici direttamente all'interno del tessuto. Questo permette di stimolare selettivamente le cellule trapiantate favorendone la maturazione in neuroni funzionali. "Il controllo microrobotico rende il trattamento molto più preciso e meno invasivo - sottolinea Hao Ye -. I campi magnetici attraversano facilmente i tessuti e possono essere modulati in base alle esigenze terapeutiche senza la necessità di dispositivi impiantati".

Una volta completata la differenziazione delle cellule, gli NPCbots tendono progressivamente a dissolversi all'interno del tessuto. Le nanoparticelle, rivestite con titanio di bario, appaiono stabili e scarsamente reattive, anche se saranno necessari ulteriori studi per comprendere come vengano eliminate dall'organismo nel lungo periodo. I ricercatori sottolineano che il passaggio alla sperimentazione clinica richiederà ancora anni di lavoro.

Sarà necessario definire i parametri ottimali dei campi magnetici, verificare la sicurezza della tecnologia nell'uomo e affrontare numerosi aspetti regolatori. Tuttavia il sistema potrebbe avere applicazioni molto più ampie rispetto alle sole lesioni spinali. Gli autori ipotizzano infatti possibili utilizzi in cardiologia, oncologia, guarigione delle ferite e altre forme di medicina rigenerativa. "La produzione dei microrobot è riproducibile e facilmente scalabile - conclude Panè i Vidal -. Questo dimostra che la piattaforma puo' essere adattata a numerose applicazioni biomediche future".