Carbon nanotube-polymer scaffolds and biomimetic peptides as a system to promote human cell differentiation toward the neuronal phenotype: analysis of a model cell line and circulating multipotent cells

I nanotubi di carbonio (CNTs) sono i candidati ideali per lo sviluppo di supporti volti a promuovere la rigenerazione neurale grazie alla loro abilità di condurre gli stimoli elettrici e alla loro nanotopografia in grado di mimare l'ambiente neurale. Questo lavoro riguarda lo sviluppo di supporti nanocompositi costituiti da CNTs dispersi in una matrice di acido polilattico (PLLA) e quindi in grado di combinare le caratteristiche nanotopografiche e di conduttività dei CNTs con la biocompatibilità del PLLA. Tali supporti, sono risultati essere in grado di supportare la crescita e il differenziamento delle cellule neuronali SH-SY5Y in modo migliore rispetto al solo PLLA. Al fine di mimare gli stimoli guida dell'ambiente neurale, sono stati sintetizzati anche dei peptidi biomimetici ricavati da specifici motivi regolativi delle proteine L1CAM e LINGO1, le quali sono coinvolte nel controllo dell'accrescimento neuritico. Entrambi i peptidi non hanno dimostrato effetti negativi sulla vitalità e la proliferazione cellulare, promuovendo invece il differenziamento neuronale in modo sequenza specifico e con i maggiori effetti quando utilizzati a concentrazione 1 uM. Inoltre, quando usati in combinazione, supporti e peptidi sono in grado di agire in modo sinergico e di aumentare ulteriormente il differenziamento cellulare. Successivamente, al fine mimare al meglio l'ambiente neurale, la matrice CNT-PLLA è stata elettrospinnata in fibre di dimensione submicrometrica con lo scopo di rappresentare i processi neuronali e la componente collagenosa della matrice extracellulare. Tali supporti si sono rivelati essere biocompatibili e in grado di promuovere la formazione di nuovi neuriti che si allungano seguendo l'orientamento delle fibre del supporto. Dal momento che le cellule sono influenzate dalla topografia del supporto, l'allineamento delle fibre suggerisce la possibilità di poter ottenere una crescita neuritica polarizzata. Inoltre, le proprietà neuritogeniche del supporto aumentano quando il peptide derivato da LINGO1 viene aggiunto al terreno di coltura; questi risultati rappresentano un buon punto di partenza per sviluppare supporti più avanzati a seguito della funzionalizzazione con tale peptide. In aggiunta, cellule circolanti multipotenti umane (hCMCs) sono state coltivate sui supporti e trattate con i peptidi al fine di determinare se tale fonte di cellule staminali autologa ed accessibile sia capace di differenziazione neuronale grazie soltanto alle caratteristiche dei supporti e dei peptidi. I supporti CNT-PLLA e la rispettiva versione elettrospinnata sono risultati essere adatti all'adesione e alla crescita delle hCMCs, mostrando buoni livelli di biocompatibilità; inoltre, le hCMCs coltivate sui supporti hanno mostrato caratteristiche tipiche delle cellule neuronali come lunghe protrusioni neuritiche terminanti con strutture a forma di ventaglio simili ai coni di crescita. I supporti inoltre promuovono l'espressione di marcatori tipici del lignaggio neuronale. Anche i peptidi si sono rivelati essere in grado di influenzare la morfologia cellulare e di upregolare marcatori neuronali. Questi risultati suggeriscono che le hCMCs sono capaci di acquisire un commitment neuronale solo grazie alle caratteristiche dei supporti e dei peptidi e senza l'ausilio dei fattori di crescita che sono tradizionalmente usati per promuovere il differenziamento neuronale di cellule staminali. Sono necessari ulteriori studi riguardanti la composizione e geometria dei supporti, funzionalizzazione con i peptidi e condizioni di coltura per acquisire una completa differenziazione neuronale e controllare il tipo neuronale ottenuto; ma tale sistema sembra essere un buon punto di partenza per progettare supporti trapiantabili per promuovere la rigenerazione neurale. Sarebbe interessante poter valutare la trasmissione sinaptica e le proprietà fisiologiche delle cellule cresciute sui supporti così come utilizzare tali supporti per stimolare elettricamente le cellule e valutare un eventuale miglioramento nel differenziamento.