Organoidi & Bioingegneria: Un robot per crescere tendini artificiali a scopo di trapianto

BY: Osservatorio Terapie Avanzate

Una spalla robotica imprime alle cellule dei tendini lo stesso tipo di stress meccanico a cui sono sottoposte nel corpo umano, fondamentale per farle maturare correttamente.

“I robot umanoidi del futuro saranno agili ed eleganti come i corpi degli esseri umani e potranno teletrasportare i nostri sensi e le nostre azioni in qualunque angolo di mondo”. È la promessa dell’azienda di robotica Devanthro, che già da anni realizza robot interi o parti di robot ispirati alla fisica del corpo umano. I ricercatori dell’Università di Oxford hanno usato uno di questi bracci robotici per riprodurre l’articolazione della spalla e far crescere tendini artificiali flessibili e forti, ideali per un trapianto. La spalla robotica imita lo stress meccanico che i tendini subiscono nel corpo umano – dove vengono attorcigliati, allungati e compressi – meglio di qualunque bioreattore usato in precedenza. I risultati sono stati pubblicati poche settimane fa su Communications Engineering.

TENDINI ARTIFICIALI E STRESS MECCANICO

Le colture cellulari sono il primo passo per generare tessuti in provetta a fini di trapianto, come la pelle, il tessuto muscolare o parti dell’occhio, un campo di grande interesse per la medicina rigenerativa. Una piastra Petri, e un apposito mezzo di coltura, possono fornire alle cellule i nutrienti o l’ossigeno di cui hanno bisogno per crescere in un ambiente artificiale, ovvero fuori dal corpo umano. Ma una superficie bidimensionale e statica non riproduce completamente le caratteristiche di organi o tessuti umani.

Un filone di ricerca particolarmente complesso consiste nel far crescere tendini artificiali in laboratorio, con le stesse funzioni dei tendini umani e compatibili con il tessuto muscolare-osseo. Il trapianto di tendini artificiali potrebbe diventare un’opzione terapeutica nei casi in cui la chirurgia riparativa non è efficace. Ma ottenerli non è semplice: nel corpo umano le cellule dei tendini sono continuamente sottoposte a stress meccanico, senza il quale non maturano correttamente, non esprimono i giusti tipi di geni né producono una matrice extracellulare funzionante.

IL FALLIMENTO DEI PRIMI BIOREATTORI

Il gruppo di ricerca di Oxford ha iniziato a coltivare i fibroblasti, le cellule che compongono i tendini, in camere di plastica all’interno di bioreattori che simulano il movimento di un’articolazione. Lo scopo era produrre tendini artificiali per il trapianto su spalla, considerata una delle parti del corpo più caricate e con più gradi di libertà. La rottura della cuffia dei rotatori, la principale causa di infortunio alla spalla, colpisce il 25% delle persone con più di 60 anni. In caso di lesione estesa, il trattamento è di tipo chirurgico: un tendine viene trasferito alla spalla da un’altra parte del corpo, per ristabilire la funzione persa. È una operazione complessa, con una percentuale di fallimento del 40%.

I primi esperimenti, però, non hanno generato tendini funzionali, proprio a causa del tipo di stress meccanico. Nel bioreattore le cellule sono sottoposte solo a un ciclo ripetuto di allungamenti unidirezionali, mentre nel corpo umano la stimolazione meccanica è di tipo multi-assiale: comprende cioè un range di movimenti più ampio, nelle tre direzioni dello spazio (allungamento, compressione e torsione).

ROBOY, IL ROBOT UMANOIDE

I primi risultati soddisfacenti sono stati frutto di una collaborazione tra l’università di Oxford e l’azienda Devanthro (developing anthropometrics), fondata dallo scienziato computazionale Rafael Hostettler. Il prodotto di punta dell’azienda è Roboy, nato dall’omonimo progetto lanciato nel 2013. Roboy è un simpatico robot umanoide dallo sguardo vispo e il sorriso irresistibile: può parlare, ridere, addirittura arrossire e dispensare abbracci.

Dal 2013 ad oggi, Roboy è “cresciuto” insieme ai suoi genitori scienziati. Nel 2018 nasce Roboy 2.0, un prototipo che integra i risultati di un altro progetto della Devanthro, Myorobotics. Lo scopo è realizzare singole unità robotiche di tipo modulare, in grado di compiere movimenti più fluidi e simili a quelli del corpo umano: un braccio meccanico che lancia una pallina o una riproduzione dell’articolazione del ginocchio. Il nuovo Roboy 2.0 è in grado di preparare coni gelato e fare il DJ. 

Nel 2020, l’azienda lancia Roboy 3.0 o, come i ricercatori preferiscono chiamarlo ora, “Robody”, sancendo il suo passaggio a “robot adulto”. Hostettler lo ha definito un “avatar umanoide robotico”, qualcosa di più che un semplice robot. Robody possiede muscoli e tendini esattamente come un essere umano, i suoi movimenti sono fluidi e la sua tecnologia lo rende uno strumento al servizio della ricerca sul sistema muscolo-scheletrico.

UNA SPALLA ROBOTICA PER CRESCERE I TENDINI

Quando i ricercatori di Oxford hanno chiesto aiuto alla Devanthro per far crescere i loro tendini artificiali, Hostettler ha subito messo a disposizione del team tutta la tecnologia dei progetti Roboy e Myorobotics. Gli scienziati hanno quindi potuto usare un braccio robotico che riproduce l’articolazione della spalla ed è in grado di generare un movimento multi-assiale, completo di rotazione. Hanno anche realizzato un nuovo tipo di camera per le cellule, con una struttura più morbida e flessibile: un lato viene attaccato all’impalcatura rigida che riproduce l’omero, l’altro lato a un motore che fa da muscolo 

Le cellule dei tendini sono state fatte crescere su questo braccio robotico per 14 giorni. Una prima analisi ha dimostrato che queste condizioni di coltura modificano il profilo di espressione genica e rendono i tendini artificiali potenzialmente più simili a quelli reali.

I risultati di questo progetto, ancora preliminari, aprono la strada a nuove applicazioni nel campo della medicina rigenerativa e dell’ingegneria tessutale. Questa tecnologia potrebbe essere estesa ad altri tipi di tendini o di tessuti diversi dalla spalla e, al contrario dei bioreattori classici, è “personalizzabile”. I robot potrebbero essere progettati per riprodurre la fisiologia dei pazienti – un ponte per la ricerca clinica, con un valore traslazionale superiore rispetto alle tecniche tradizionali. Grazie ai sistemi robotici, i ricercatori avranno a disposizione anche nuovi modelli per i test in vitro dei farmaci e potrebbero ridurre l’utilizzo di animali nella ricerca preclinica.

Di: Erika Salvatori , 20 Giugno 2022