Microscale Tissue Engineering of human skeletal and cardiac muscles for in vitro applications

L’utilizzo di tessuti ingegnerizzati come modelli in vitro è recentemente emerso come applicazione alternativa al loro tradizionale impianto in vivo. Lo sviluppo di nuovi farmaci e terapie, nel caso di malattie quali la Distrofia Muscolare di Duchenne (DMD) o l’infarto miocardico (HF), sono infatti fortemente limitati e rallentati della mancanza di adeguati modelli in vitro: rappresentativi del tessuto umano e delle sue proprietà funzionali, di semplice utilizzo ed accessibili economicamente. Prerequisiti necessari all’ottenimento di un modello che risponda a tali esigenze sono: l’utilizzo di una fonte cellulare umana primaria; l’impiego di tecniche micrometriche, in primo luogo per il fine controllo del microambiente e del conseguente differenziamento cellulare in tessuto funzionale e per la riduzione dei costi di ricerca. Lo sviluppo su microscala permette inoltre di effettuare sperimentazioni multiparametriche, essenziali per patologie multifattoriali quali DMD e HF, con un elevato numero di dati in uscita. Infine, l’utilizzo di metodologie e tecniche semplici permette il trasferimento tra laboratori e ricercatori di diversa formazione. Lo scopo di questa tesi è stato quindi l’ottenimento di tessuti umani funzionali di muscolo scheletrico e cardiaco mediante l’utilizzo di tecniche di microscala, al fine di soddisfare le attuali esigenze di ricerca. È stato utilizzato un approccio biomimetico e multidisciplinare: un’accurata ingegnerizzazione del microambiente cellulare ha permesso di riprodurre in vitro i principali stimoli che in vivo guidano la differenziazione cellulare, così da ottenere un tessuto funzionale e rappresentativo del tessuto naturale. Le metodologie classiche dell’ingegneria dei tessuti sono state accoppiate ad innovative tecnologie di microscala, precedentemente sviluppate dagli ingegneri del laboratorio, per il preciso controllo dell’ambiente cellulare a livello micrometrico. In particolare sono state ottimizzate le proprietà chimico-fisiche del substrato, l’organizzazione topologica delle colture e l’applicazione di stimolazione elettrica esogena. Tali sistemi sono stati utilizzati con colture di particolare interesse quali mioblasti umani distrofici e cellule staminali embrionali umane (hESC). L’analisi funzionale del tessuto scheletrico umano così ottenuto, sia distrofico che sano, ha evidenziato come i sistemi sviluppati siano in grado di indurre un processo differenziativo più rapido rispetto ai tradizionali metodi di coltura. È stato valutato l’effetto di stimolazioni elettriche esogene sul differenziamento cardiomiocitario di hESC ed è stato sviluppato un array di cardiomiociti umani contrattili. Tali risultati aprono promettenti prospettive per lo sviluppo di modelli in vitro che permettano lo screening preclinico di nuovi farmaci o nuove terapie per la cura delle patologie a carico della muscolatura scheletrica e cardiaca.