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La scienza medica ha fatto un passo fondamentale in avanti verso la crioconservazione di fette di cervello utilizzate nella ricerca neurologica, cellule pancreatiche per il trattamento del diabete e persino interi organi grazie a un nuovo modello al computer che prevede come cambierà la dimensione del tessuto durante la conservazione processi.
I risultati dello studio condotto da Adam Higgins dell’Oregon State University College of Engineering sono stati pubblicati sul Biophysical Journal .
“La crioconservazione dei tessuti sarebbe utile per la ricerca biomedica e per la medicina dei trapianti, ma è difficile crioconservare i tessuti per vari motivi”, ha affermato Higgins, professore associato di bioingegneria. “Una delle ragioni principali è che la formazione di ghiaccio può rompere un tessuto dall’interno. Le persone che cucinano probabilmente hanno già familiarità con questo: un pomodoro che è stato congelato e scongelato diventa molle”.
La crioconservazione è stata a lungo ampiamente utilizzata in applicazioni relativamente più semplici come la conservazione di sperma, sangue, embrioni e semi di piante. Una barriera ad altri usi è stata il danno dalla cristallizzazione del ghiaccio e la natura dannosa dei composti aggiunti per prevenire la formazione di ghiaccio.
La vetrificazione, spiega Higgins, è una strategia di crioconservazione che contrasta i danni ai cristalli di ghiaccio attraverso sostanze chimiche note come crioprotettori, o CPA, che possono impedire la formazione di ghiaccio. Un esempio di CPA è il glicole etilenico, utilizzato nell’antigelo per automobili.
Nei tessuti, una concentrazione sufficientemente elevata di CPA provoca la formazione di un “vetro” solido anziché di cristalli di ghiaccio quando la temperatura del tessuto viene ridotta a livelli di azoto liquido; l’azoto liquido bolle a meno-320 gradi Fahrenheit.
“Il problema è che queste sostanze chimiche possono causare danni osmotici a causa dell’acqua che attraversa le membrane cellulari e provoca lo scoppio delle cellule”, ha detto Higgins. “Possono anche uccidere le cellule a causa della tossicità. Quindi, nel progettare il miglior metodo di vetrificazione, il trucco sta nello scegliere il percorso migliore tra condizioni fisiologiche normali e uno stato vetrificato finale, ovvero un’elevata concentrazione di CPA e una temperatura di azoto liquido”.
Da qui la necessità di modelli matematici. In precedenti ricerche su un singolo strato di cellule endoteliali, che costituiscono il rivestimento del sistema circolatorio, Higgins e colleghi del College of Engineering hanno mostrato il valore di un modello che coinvolgeva la tossicità del CPA, il danno osmotico e il trasferimento di massa. La modellazione ha scoperto un approccio per il caricamento del CPA che era controintuitivo: indurre le cellule a gonfiarsi.
I ricercatori hanno scoperto che se le cellule fossero inizialmente esposte a una bassa concentrazione di CPA e gli fosse dato il tempo di gonfiarsi, il campione potrebbe essere vetrificato dopo aver aggiunto rapidamente un’alta concentrazione. Il risultato è stato una tossicità complessiva molto inferiore, ha detto Higgins. La sopravvivenza delle cellule sane dopo la vetrificazione è aumentata da circa il 10% con un approccio convenzionale a oltre l’80%.
“Il più grande problema singolo e fattore limitante nella vetrificazione è la tossicità del CPA e il metodo di rigonfiamento è stato molto utile per affrontarlo”, ha affermato. “Il nostro nuovo documento estende questa linea di ricerca presentando un nuovo modello di trasferimento di massa nei tessuti; una caratteristica fondamentale è che consente la previsione dei cambiamenti delle dimensioni dei tessuti”.
Higgins osserva che sono stati osservati diversi tipi di tessuti che cambiano dimensione dopo l’esposizione a soluzioni CPA; tra questi ci sono cartilagine, tessuto ovarico e gruppi di cellule del pancreas noti come isole. Molto probabilmente, quei cambiamenti di dimensione sono considerazioni importanti per la progettazione di metodi per la vetrificazione dei tessuti, ha detto.
“L’approccio convenzionale di modellazione del trasferimento di massa è noto come legge di Fick e presuppone che la dimensione del tessuto rimanga costante”, ha affermato Higgins. “Il nostro nuovo modello, che abbiamo utilizzato per due tipi di tessuti molto diversi, cartilagine articolare e isole pancreatiche, apre le porte all’estensione del nostro precedente approccio di ottimizzazione matematica alla progettazione di metodi migliori per la crioconservazione di vari tipi di tessuto”.
Man mano che la vetrificazione di tessuti sempre più complessi diventa possibile, è probabile che diventino possibili nuove applicazioni, ha affermato Higgins, soprattutto mentre continuano i progressi nel campo in rapida evoluzione della rigenerazione dei tessuti, in cui le cellule staminali possono essere utilizzate per far crescere nuovi tessuti o addirittura interi organi. .
In teoria, ha detto, i tessuti potrebbero essere prodotti in piccole quantità e conservati fino al momento del trapianto. Gli organi donati per i trapianti potrebbero essere conservati di routine fino a quando non è stata trovata una precisa corrispondenza immunologica. Inoltre, non è al di fuori del regno delle possibilità, ha detto Higgins, che le persone possano coltivare un cuore o un fegato di riserva dalle proprie cellule staminali e averlo vetrificato per un uso futuro, se necessario.
Lo sviluppo di farmaci è un’altra area che trarrebbe beneficio da un potenziale di vetrificazione migliorato e ampliato, ha aggiunto.
I test sui farmaci si verificano in genere all’interno dei tradizionali sistemi di coltura cellulare o in modelli animali, che spesso non prevedono con precisione l’effetto del farmaco nelle persone. Nuovi “organi su un chip” – camere microfluidiche contenenti cellule umane coltivate in condizioni che imitano tessuti o organi nativi – potrebbero essere in grado di prevedere in modo più accurato le risposte ai farmaci nelle persone, ma il loro uso richiede che le cellule vengano conservate a lungo termine, come consentito dalla vetrificazione.
A collaborare con Higgins c’erano Ross Warner, ricercatore associato presso l’OSU College of Engineering, Ali Eroglu dell’Augusta University in Georgia e Robyn Shuttleworth e James Benson dell’Università del Saskatchewan.
Il National Institutes of Health ha finanziato la ricerca.