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Nuovi fotorecettori da cellule staminali pluripotenti umane restituiscono la vista alla retina colpita

Decine di milioni di persone in tutto il mondo sono affette da malattie come la degenerazione maculare o hanno avuto incidenti che danneggiano permanentemente i fotorecettori sensibili alla luce all’interno della retina che consentono loro di vedere.

Il corpo umano non è in grado di rigenerare quei fotorecettori, ma i nuovi sviluppi dei ricercatori medici e degli ingegneri dell’Università del Wisconsin-Madison potrebbero dare speranza a coloro che soffrono di perdita della vista. Descrivono il loro lavoro oggi in Science Advances.

I ricercatori dell’Università del Wisconsin-Madison hanno creato nuovi fotorecettori da cellule staminali pluripotenti umane. Anche così, è ancora difficile fornire con precisione quei fotorecettori in un occhio malato o danneggiato in modo che possano formare connessioni appropriate, afferma David Gamm, direttore del Macpherson Institute for Eye Research e professore di oftalmologia e scienze visive presso la University of Washington School of Medicina e masse. Salute.

“Sebbene sia stato un enorme risultato essere in grado di produrre i pezzi di ricambio – questi fotorecettori – doveva ancora essere trasportato nel posto giusto affinché la retina potesse essere ricostruita in modo efficace”, afferma. Quindi, abbiamo iniziato a pensare: ‘Come possiamo fornire queste cellule in modo più intelligente? “Poi ci siamo messi in contatto con i nostri ingegneri di livello mondiale alla UW-Madison”.

Gamm collabora con i colleghi Shaoqin (Sarah) Gong, professore di ingegneria biomedica, membro di facoltà presso il Wisconsin Institute of Discovery ed esperto di biomateriali, e Zhenqiang (Jack) Ma, professore di ingegneria elettrica e informatica ed esperto di semiconduttori che lavora nel suo laboratorio. Esperto in micro e micro produzione.

Insieme, i loro gruppi di ricerca hanno sviluppato un “cerotto” fotorecettore per scaffold con micro-monconi progettati per essere impiantati sotto una retina danneggiata o malata.

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Nel 2018, il team ha sviluppato il primo scaffold polimerico biodegradabile con pori a forma di bicchiere di vino per mantenere in posizione le cellule dei fotorecettori. Tuttavia, questo disegno non era ottimale in quanto non poteva adattarsi a più fotorecettori in ciascun poro.

In questo scaffold di seconda generazione, il team ha scelto di progettare un “vassoio per cubetti di ghiaccio”, che può ospitare tre volte il numero di celle riducendo la quantità di biomateriali utilizzati negli scaffold per facilitare la degradazione più rapida dei materiali sintetici all’interno dell’occhio.

Gong e il suo team, guidati dalla studentessa Rosen (Alex) Zeh, hanno esaminato una lunga lista di potenziali biomateriali prima di decidere sul poliuretano (glicerina sibacato), o PGS, una sostanza compatibile con la retina e che può essere metabolizzata in sicurezza dal corpo dopo il degrado. Il laboratorio di Gong ha migliorato la formula e sviluppato il processo di lavorazione per ottenere proprietà materiali desiderabili per la realizzazione di scaffold.

“Volevamo che la sostanza fosse molto forte”, afferma la studentessa laureata e coautrice Alison Ludwig, che lavora presso il laboratorio di Gamm. “Negli occhi, si degrada molto rapidamente in un periodo di circa due mesi. Questo è l’ideale per l’essere umano. retina.”

Il processo di forgiatura dell’impalcatura è stato eseguito con la forza meccanica richiesta e le dimensioni esatte dal primo coautore Inkyu Lee e dallo studente laureato Juhwan Lee, entrambi che lavorano nel laboratorio di Ma.

Per ottenere microstrutture 3D a forma di vassoio di cubetti di ghiaccio di alto livello da film PGS biodegradabili e biodegradabili con caratteristiche di dimensioni micron, hanno sviluppato tecniche di micro-stampaggio a più fasi che possono trasferire modelli in film polimerici flessibili.

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Il lavoro finale per la fabbricazione dell’impalcatura è stato noioso e frustrante. Fratture e difetti si sono verificati sui ponteggi morbidi durante l’allentamento del micro-stampo, rendendo inutilizzabile il piccolo cassero per un ulteriore utilizzo -; Ma Enkyo Li alla fine ha scoperto che immergere l’impalcatura in alcol isopropilico gli ha permesso di liberarsi in modo pulito.

“I processi di produzione che creano scaffold con caratteristiche di dimensioni micron implicano molte capacità di manipolazione tecnica che dipendono da una persona, rendendo difficile la produzione di scaffold di qualità uniforme”, afferma. “Volevo ottenere qualcosa che potesse essere replicato indipendentemente dalle capacità di manipolazione dell’operatore. Sono stato ispirato dal fatto che il polimero PGS è amplificato in alcol isopropilico. Lo sfruttamento di questa proprietà alla fine ha reso più facile il rilascio di scaffold da piccoli blocchi . “

Utilizzando questo approccio, il laboratorio di Ma è stato in grado di rimuovere in modo affidabile l’impalcatura dalla piccola cassaforma senza difetti superficiali e mantenere le microstrutture dello stampo e preservare l’integrità della superficie dello stampo per il riutilizzo. Alla fine, la microscopia ha rivelato che la tecnica di produzione era un successo, poiché riproduceva un’impalcatura perfetta sotto forma di un vassoio per cubetti di ghiaccio in grado di ospitare più di 300.000 fotorecettori in quasi la regione della macula umana, il centro della retina.

“Nel complesso, i risultati sono entusiasmanti e molto significativi”, afferma Ma. “Una volta scoperta la ricetta, la produzione di massa è immediatamente possibile e la commercializzazione sarà molto semplice. I metodi di produzione possono essere utilizzati per creare molti altri tipi di scaffold morbidi per varie applicazioni biomediche, come l’ingegneria dei tessuti complessi, ecc.”

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Il team ha rivelato la struttura dell’impalcatura e il metodo di produzione alla Alumni Research Foundation in Wisconsin, che ha presentato domanda di brevetto.

Il team prevede di continuare a migliorare la forma dell’impalcatura, la tecnologia di produzione e i materiali bioassorbibili per una produzione più rapida per soddisfare le future esigenze chirurgiche. Nel frattempo, l’attuale iterazione del patch per scaffold è quasi pronta per i test chirurgici su animali di grandi dimensioni. In caso di successo, la correzione verrà infine testata sugli esseri umani.

Si spera che questi primi cerotti retinici siano sicuri e ripristinino un po ‘di vista. Allora potremo innovare e migliorare tecnologia e risultati nel tempo. Non stavamo iniziando con i supercomputer ai polsi né avremmo iniziato a cancellare completamente la cecità al nostro primo tentativo. Ma siamo molto entusiasti di fare un passo importante in questa direzione “.

David JaMm, Direttore del Macpherson Institute for Eye Research e Professore di Oftalmologia e Scienze Visive, University of Washington School of Medicine and Public Health