Nanoriscaldamento e ghiaccio

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 220 (2023) Citare questo articolo

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Una riuscita conservazione a lungo termine di organi o tessuti rivoluzionerebbe la biomedicina. La crioconservazione della cartilagine consente una durata di conservazione prolungata della cartilagine articolare, ponendo la prospettiva di ampliare l’implementazione del promettente trapianto osteocondrale allotrapianto (OCA) per la riparazione della cartilagine. Tuttavia, la cartilagine di grandi dimensioni crioconservata non può essere riscaldata con successo con l’approccio convenzionale del riscaldamento per convezione a causa della sua velocità di riscaldamento limitata, che ne blocca il potenziale clinico. Qui, sviluppiamo un metodo di nanoriscaldamento e crioconservazione senza ghiaccio per la conservazione della cartilagine articolare intatta e di grandi dimensioni. Il nostro metodo raggiunge una velocità di riscaldamento di 76,8 °C min-1, oltre un ordine di grandezza superiore al riscaldamento per convezione (4,8 °C min-1). Utilizzando test sistematici a livello di cellule e tessuti, dimostriamo le prestazioni superiori del nostro metodo nel preservare la cartilagine di grandi dimensioni. Una modalità di conservazione dipendente dalla profondità viene anche osservata e ricapitolata attraverso la risonanza magnetica e la modellazione computazionale. Infine, mostriamo che il rilascio di nanoparticelle sul lato osseo dell'OCA potrebbe essere una direzione fattibile per un'ulteriore ottimizzazione del nostro metodo. Questo studio apre la strada all’applicazione del nanoriscaldamento e della crioconservazione senza ghiaccio per la cartilagine articolare di grandi dimensioni e fornisce preziose informazioni per lo sviluppo futuro della tecnica, aprendo la strada alle applicazioni cliniche della cartilagine crioconservata.

Il trapianto di organi o di tessuti ha salvato milioni di vite e migliorato la qualità della vita dei pazienti affetti da insufficienza d'organo o malattie dei tessuti1,2. Tuttavia, il numero di organi e tessuti pronti per il trapianto è lungi dall’essere sufficiente a soddisfare i bisogni della popolazione dei pazienti. Ad esempio, nel 2020, negli Stati Uniti sono stati eseguiti 39.036 trapianti di organi mentre 55.121 nuovi candidati sono stati aggiunti alla lista d’attesa3; molti pazienti muoiono in attesa del trapianto di organi. Nonostante l’enorme domanda insoddisfatta di organi e tessuti, il fatto deludente è che molti organi e tessuti non sono utilizzabili per l’impianto e vengono scartati perché hanno raggiunto il limite massimo di tempo di conservazione post-mortem1,4. Nel caso del trapianto di organi, fino al 70% degli organi dei donatori muore prima di raggiungere i pazienti1,4. Ottenere la conservazione a lungo termine di organi e tessuti è fondamentale per migliorare i tassi di utilizzo e alleviare le carenze esistenti.

I difetti della cartilagine articolare sono problemi comuni del ginocchio, che colpiscono il 60-66% dei pazienti sottoposti a procedure artroscopiche5,6,7,8. A causa della limitata capacità rigenerativa della cartilagine articolare, i difetti cartilaginei possono svilupparsi in osteoartrite (OA) senza un adeguato intervento chirurgico. L’OA colpisce più di 25,6 milioni di adulti e provoca ogni anno negli Stati Uniti costi correlati pari a quasi 200 miliardi di dollari9. Con la crescita e l’invecchiamento della popolazione, si prevede che il numero di pazienti affetti da OA aumenterà drasticamente10. Attualmente non esiste una cura per l’OA, il che dimostra la necessità di proseguire la ricerca in questo settore. Il trapianto osteocondrale allotrapianto (OCA) è un'interessante strategia di riparazione della cartilagine per gestire la progressione dell'OA, in particolare per i pazienti giovani e fisicamente attivi con grandi difetti11. Rispetto ad altre opzioni di trattamento come la microfrattura, l’impianto autologo di condrociti, il trapianto autologo osteocondrale e gli approcci emergenti di ingegneria tissutale, il trapianto di OCA sostituisce immediatamente il sito del difetto con cartilagine ialina funzionale a tutto spessore, richiede solo un’unica procedura chirurgica ed evita il problema di mortalità del sito donatore12,13. Il trapianto di OCA è anche la scelta chirurgica preferita per i pazienti con danno cartilagineo diffuso, lesione ossea subcondrale o precedente intervento chirurgico alla cartilagine non riuscito12,13. Il tasso medio di sopravvivenza a 10 anni del trapianto di OCA è del 78,7%14 e il 75-88% dei pazienti è in grado di tornare allo sport dopo il trapianto15. L'uso clinico del trapianto di OCA per il restauro della cartilagine è diventato sempre più popolare negli ultimi dieci anni16 e in futuro si prevede una maggiore necessità di OCA. Tuttavia, la disponibilità di nuove OCA è limitata. Gli attuali metodi di conservazione ipotermica gold standard per la conservazione dell'OCA possono preservare le proprietà funzionali dell'OCA solo fino a 28 giorni prima dell'impianto17,18. Questo lasso di tempo è spesso insufficiente considerando il lungo tempo necessario per la pianificazione chirurgica, compreso il prelievo di OCA, il trasporto, uno screening delle malattie infettive di almeno 14 giorni, l'abbinamento degli innesti, la preparazione del paziente e altra logistica correlata. Quasi il 30% degli OCA vengono scartati senza impianto negli Stati Uniti19, mettendo ulteriormente a dura prova la disponibilità di OCA e limitando l’ampia implementazione del trapianto di OCA.